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Usando gelo para ferver água: Pesquisador faz descoberta de transferência de calor que se expande no princípio do século 18
A descoberta também traz possibilidades interessantes para dispositivos e processos de resfriamento em aplicações industriais usando apenas as propriedades básicas da água. Seu trabalho foi publicado na revista Physical Review Fluids .
Por Virginia Tech - 23/01/2022



O professor associado Jonathan Boreyko e o colega de pós-graduação Mojtaba Edalatpour fizeram uma descoberta sobre as propriedades da água que poderiam fornecer um adendo emocionante a um fenômeno estabelecido há mais de dois séculos. A descoberta também traz possibilidades interessantes para dispositivos e processos de resfriamento em aplicações industriais usando apenas as propriedades básicas da água. Seu trabalho foi publicado em 21 de janeiro na revista Physical Review Fluids .

A água pode existir em três fases: um sólido congelado, um líquido e um gás. Quando o calor é aplicado a um sólido congelado, ele se torna um líquido. Quando aplicado ao líquido, torna-se vapor. Este princípio elementar é familiar para qualquer um que tenha observado um copo de chá gelado em um dia quente ou fervido uma panela de água para fazer espaguete.

Quando a fonte de calor está quente o suficiente, o comportamento da água muda drasticamente. De acordo com Boreyko, uma gota de água depositada em uma placa de alumínio aquecida a 150 graus Celsius (302 graus Fahrenheit) ou acima não ferverá mais. Em vez disso, o vapor que se forma quando a gota se aproxima da superfície ficará preso sob a gota, criando uma almofada que impede que o líquido entre em contato direto com a superfície. O vapor preso faz com que o líquido levite, deslizando pela superfície aquecida como um disco de air hockey. Esse fenômeno é conhecido como efeito Leidenfrost, nomeado em homenagem ao médico e teólogo alemão que o descreveu pela primeira vez em uma publicação de 1751 .

Este princípio científico comumente aceito se aplica à água como um líquido, flutuando em um leito de vapor. A equipe de Boreyko se perguntou: o gelo poderia funcionar da mesma maneira?

"Existem tantos artigos sobre a levitação do líquido que queríamos fazer a pergunta sobre a levitação do gelo", disse Boreyko. "Começou como um projeto de curiosidade. O que motivou nossa pesquisa foi a questão de saber se era ou não possível ter um efeito Leidenfrost trifásico com sólido, líquido e vapor."
 
Indo para o gelo

A curiosidade desencadeou a primeira investigação no laboratório de Boreyko há cerca de cinco anos na forma de um projeto de pesquisa do então estudante de graduação Daniel Cusumano. O que ele observou foi fascinante. Mesmo quando o alumínio foi aquecido acima de 150°C, o gelo não levitou no vapor como o líquido. Cusumano continuou elevando a temperatura, observando o comportamento do gelo à medida que o calor aumentava. O que ele descobriu foi que o limite para a levitação era dramaticamente maior: 550 C (1022 F) em vez de 150 C. Até esse limite, a água derretida sob o gelo continuava a ferver em contato direto com a superfície, em vez de exibir o efeito Leidenfrost .

O que estava acontecendo debaixo do gelo que prolongou a fervura? O projeto foi retomado pelo estudante de pós-graduação Mojtaba Edalatpour pouco tempo depois, para resolver o mistério. Edalatpour estava trabalhando com Boreyko para desenvolver novos métodos de transferência de calor e colocar esse conhecimento para trabalhar na abordagem desse problema. A resposta acabou sendo o diferencial de temperatura na camada de água derretida sob o gelo. A camada de água derretida tem dois extremos diferentes: seu fundo está em ebulição, o que fixa a temperatura em cerca de 100 C, mas seu topo está aderido ao gelo restante, que o fixa em cerca de 0 C. O modelo de Edalatpour revelou que a manutenção dessa temperatura extrema diferencial consome a maior parte do calor da superfície, explicando por que a levitação era mais difícil para o gelo.

Boreyko elaborou. "O diferencial de temperatura que o gelo está criando na camada de água mudou o que acontece na própria água, porque agora a maior parte do calor da placa quente tem que atravessar a água para manter esse diferencial extremo. a energia pode ser usada para produzir mais vapor."

A temperatura elevada de 550 graus Celsius para o efeito gelado de Leidenfrost é praticamente importante. A água fervente está transportando de maneira ideal o calor para longe do substrato, e é por isso que você sente bastante calor subindo de uma panela de água que está fervendo, mas não de uma panela de água que está apenas quente. Isso significa que a dificuldade em levitar gelo é realmente uma coisa boa, pois a janela de temperatura maior para ebulição resultará em melhor transferência de calor em comparação com o uso de um líquido sozinho.

"É muito mais difícil levitar o gelo do que levitar a gota de água", disse Boreyko. “A transferência de calor despenca assim que a levitação começa, porque quando o líquido levita, ele não ferve mais. é terrível. Ferver é incrível."

Usando gelo para transferência de calor

À medida que a equipe explorava possibilidades de aplicação prática, eles olhavam para o trabalho existente. Como Edalatpour tinha uma extensa pesquisa em transferência de calor, esse tópico se tornou um ajuste lógico.

A transferência de calor é mais importante para resfriar coisas como servidores de computador ou motores de carros. Requer uma substância ou mecanismo que possa afastar a energia de uma superfície quente, redistribuindo o calor rapidamente para reduzir o desgaste das peças metálicas. Em usinas de energia nuclear , a aplicação de gelo para induzir resfriamento rápido pode se tornar uma medida de emergência facilmente implantada em caso de falha de energia ou uma prática regular para manutenção de peças de usinas de energia.

Existem também aplicações potenciais para a metalurgia. Para produzir ligas, é necessário extinguir o calor dos metais que foram moldados em uma estreita janela de tempo, tornando o metal mais forte e menos quebradiço. Se o gelo fosse aplicado, permitiria que o calor fosse descarregado rapidamente através das três fases da água, resfriando rapidamente o metal.

Boreyko também prevê um potencial para aplicações no combate a incêndios.

"Você pode imaginar ter uma mangueira feita especialmente para pulverizar lascas de gelo em vez de um jato de água", disse ele. "Isso não é ficção científica. Visitei uma empresa aeroespacial que tem um túnel de gelo e eles já têm essa tecnologia onde um bico pulveriza partículas de gelo ao invés de gotas de água."

Com inúmeras possibilidades, Boreyko e Edalatpour estão entusiasmados com a nova contribuição que chegou ao mundo da ciência. Olhando para trás nos últimos cinco anos, eles ainda creditam esse desenvolvimento emocionante à sua curiosidade compartilhada e ao desejo de serem criativos na pesquisa.

 

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