Tecnologia Científica

Pesquisa do MIT sobre tensão superficial da águado mar se torna diretriz internacional
O trabalho do professor John Lienhard e Kishor Nayar SM '14, PhD '19 foi recentemente reconhecido pela Associaa§a£o Internacional para as Propriedades da agua e do Vapor.
Por Mary Beth Gallagher - 09/07/2020


A tensão superficial éa propriedade da águaque permite que os insetos deslizem pelasuperfÍcie da a¡gua. Pesquisa de John Lienhard e Kishor Nayar para entender como a tensão superficial da águado mar muda com a temperatura e a salinidade se tornou um padrãointernacional. Foto: Christopher Paul High

A propriedade da águaque permite que um inseto roa§a asuperfÍcie de uma lagoa ou mantanãm um clipe de papel cuidadosamente colocado flutuando no topo de um copo de águaéconhecida como tensão superficial. Compreender a tensão superficial da águaéimportante em uma ampla gama de aplicações, incluindo transferaªncia de calor, dessalinização e oceanografia. Embora se saiba muito sobre a tensão superficial da águadoce, muito pouco se sabe sobre a tensão superficial da águado mar - atérecentemente.

Em 2012, John Lienhard, professor de engenharia hidra¡ulica e meca¢nica de Abdul Latif Jameel e o estudante de pós-graduação Kishor Nayar SM '14, PhD '19 embarcaram em um projeto de pesquisa para entender como a tensão superficial da águado mar muda com a temperatura e a salinidade. Dois anos depois, eles publicaram suas descobertas no Journal of Physical and Chemical Reference Data . Nesta primavera, a Associação Internacional para as Propriedades da agua e do Vapor (IAPWS) anunciou que considerava o trabalho de Lienhard e Nayar uma diretriz internacional .

De acordo com o IAPWS, a pesquisa de Lienhard e Nayar "apresenta uma correlação para a tensão superficial da águado mar em função da temperatura e salinidade". O anaºncio da diretriz marcou a conclusão de oito anos de trabalho com dezenas de colaboradores do MIT e de todo o mundo.

“Esse projeto surgiu do meu trabalho em dessalinização. Na dessalinização, vocêprecisa saber sobre a tensão superficial da a¡gua, porque isso afeta a maneira como a águaviaja atravanãs dos poros em uma membrana ”, explica Lienhard, um especialista lider mundial em dessalinização - o processo pelo qual a águasalgada étratada para se tornar águapota¡vel em águadoce.

Lienhard sugeriu que Nayar fizesse medições da tensão superficial da águado mar e comparasse os resultados com a tensão superficial da águapura. Como eles logo descobririam, obter dados confia¡veis ​​da águasalgada seria incrivelmente difa­cil. 

“Ta­nhamos pensado originalmente que esses experimentos seriam bem simples de realizar, em um maªs ou dois. Mas, quando comea§amos a investigar, percebemos que era um problema muito mais difa­cil de resolver ”, diz Lienhard.

Desde o ina­cio, Nayar esperava obter dados precisos suficientes para informar um padrãode propriedade. Fazer isso exigiria que a incerteza nas medições fosse menor que 1%.

"Quando vocêfala sobre medições de propriedades, precisa ser o mais preciso possí­vel", explica Nayar. O primeiro obsta¡culo que ele teve que superar para alcana§ar essenívelde precisão foi encontrar a instrumentação apropriada para fazer medições confia¡veis ​​- algo que acabou não sendo uma tarefa fa¡cil.

Medindo a tensão superficial

Para medir a tensão superficial da a¡gua, Lienhard e Nayar se uniram a Gareth McKinley, professor de engenharia meca¢nica e então estudante de graduação Divya Panchanathan SM '15, PhD '18. Eles começam com um dispositivo conhecido como placa Wilhelmy, que encontra a tensão superficial baixando uma pequena placa de platina em um copo de águae medindo a força que a águaexerce quando a placa éelevada.

Nayar e Panchanathan lutaram para medir a tensão superficial da águasalgada a temperaturas mais altas. "O problema que continuamos descobrindo foi quando a temperatura estava acima de 50 graus Celsius, a águano copo evaporou mais rápido do que podera­amos fazer as medições", diz Nayar. 

Nenhum instrumento permitiria que eles obtivessem os dados necessa¡rios - então Nayar se voltou para a loja de passatempos do MIT. Usando um torno, ele construiu uma tampa especial para o copo manter o vapor.

“A pequena tampa que Kishor construiu cortou com precisão as portas que lhe permitiram colocar uma sonda de tensão superficial atravanãs da tampa sem deixar o vapor de águasair”, explica Lienhard.

Apa³s progredir na obtenção de dados, a equipe sofreu um grande revanãs. Eles descobriram que as escalas de sal quase invisa­veis, formadas no copo de teste ao longo do tempo, haviam introduzido erros em suas medições. Para obter os valores mais precisos, eles decidiram usar novos copos para cada teste. Como resultado, Nayar teve que repetir nove meses de trabalho pouco antes do vencimento da tese de mestrado. Felizmente, como o principal problema foi identificado e resolvido, os experimentos poderiam ser repetidos muito mais rapidamente.

Nayar conseguiu refazer os experimentos a tempo. A equipe mediu a tensão superficial na águado mar variando de temperatura ambiente a 90 graus Celsius e os na­veis de salinidade variando de águapura a quatro vezes a salinidade da águado oceano. Eles descobriram que a tensão superficial diminui cerca de 20%, a  medida que a águapassa da temperatura ambiente para a fervura. Enquanto isso, a  medida que a salinidade aumenta, a tensão superficial também aumenta. A equipe desvendou o mistério da tensão superficial da águado mar.

“Foi literalmente a coisa mais tecnicamente desafiadora que já fiz”, lembra Nayar.

Seus dados tiveram um desvio manãdio de 0,19%, com um desvio ma¡ximo de apenas 0,6% - bem dentro do limite de 1% necessa¡rio para uma diretriz.

Da tese de mestrado a  diretriz internacional

Traªs anos depois de concluir sua tese de mestrado, Nayar, então estudante de doutorado, participou de uma reunia£o da IAPWS em Kyoto, Japa£o. A IAPWS éuma organização internacional sem fins lucrativos responsável por liberar padraµes sobre as propriedades da águae do vapor. La¡, Nayar se reuniu com lideres no campo da tensão superficial da águaque estavam lutando com os mesmos problemas que Nayar havia enfrentado. Esses contatos o apresentaram ao longo e rigoroso processo de declarar algo uma diretriz internacional.

O IAPWS publicou anteriormente normas sobre as propriedades do vapor desenvolvidas pelo falecido Joseph Henry Keenan, professor e ex-chefe de engenharia meca¢nica do MIT. Para se juntar a Keenan como autores de um padrãodo IAPWS, os dados da equipe precisavam ser verificados por medições realizadas por outros pesquisadores. Apa³s três anos de trabalho com o IAPWS, o trabalho da equipe foi finalmente adotado como uma diretriz internacional.

Para Nayar, que se formou em doutorado no ano passado e agora éengenheiro saªnior de águae esgoto na empresa de consultoria de engenharia GHD, o anaºncio da diretriz fez valer a pena os longos meses de coleta de dados. "Parecia que algo estava sendo conclua­do", lembra ele. 

As descobertas que Nayar, Panchanathan, McKinley e Lienhard relataram em 2014 são amplamente aplica¡veis ​​a várias indaºstrias, de acordo com Lienhard. "a‰ certamente relevante para o trabalho de dessalinização, mas também para problemas oceanogra¡ficos, como a dina¢mica das ondas capilares", explica ele.

Tambanãm ajuda a explicar como pequenas coisas - como um inseto ou um clipe de papel - podem flutuar na águado mar.

 

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