Tecnologia Científica

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


A tensão superficial é a propriedade da água que permite que os insetos deslizem pela superfície da água. Pesquisa de John Lienhard e Kishor Nayar para entender como a tensão superficial da água do mar muda com a temperatura e a salinidade se tornou um padrão internacional. Foto: Christopher Paul High

A propriedade da água que permite que um inseto roça a superfície de uma lagoa ou mantém um clipe de papel cuidadosamente colocado flutuando no topo de um copo de água é conhecida como tensão superficial. Compreender a tensão superficial da água é importante em uma ampla gama de aplicações, incluindo transferência de calor, dessalinização e oceanografia. Embora se saiba muito sobre a tensão superficial da água doce, muito pouco se sabe sobre a tensão superficial da água do mar - até recentemente.

Em 2012, John Lienhard, professor de engenharia hidráulica e mecânica 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 água do 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 Água 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 água do mar em função da temperatura e salinidade". O anúncio 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, você precisa saber sobre a tensão superficial da água, porque isso afeta a maneira como a água viaja através dos poros em uma membrana ”, explica Lienhard, um especialista líder mundial em dessalinização - o processo pelo qual a água salgada é tratada para se tornar água potável em água doce.

Lienhard sugeriu que Nayar fizesse medições da tensão superficial da água do mar e comparasse os resultados com a tensão superficial da água pura. Como eles logo descobririam, obter dados confiáveis ​​da água salgada seria incrivelmente difícil. 

“Tínhamos pensado originalmente que esses experimentos seriam bem simples de realizar, em um mês ou dois. Mas, quando começamos a investigar, percebemos que era um problema muito mais difícil de resolver ”, diz Lienhard.

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

"Quando você fala sobre medições de propriedades, precisa ser o mais preciso possível", explica Nayar. O primeiro obstáculo que ele teve que superar para alcançar esse nível de precisão foi encontrar a instrumentação apropriada para fazer medições confiáveis ​​- algo que acabou não sendo uma tarefa fácil.

Medindo a tensão superficial

Para medir a tensão superficial da água, Lienhard e Nayar se uniram a Gareth McKinley, professor de engenharia mecânica e então estudante de graduação Divya Panchanathan SM '15, PhD '18. Eles começaram com um dispositivo conhecido como placa Wilhelmy, que encontra a tensão superficial baixando uma pequena placa de platina em um copo de água e medindo a força que a água exerce quando a placa é elevada.

Nayar e Panchanathan lutaram para medir a tensão superficial da água salgada a temperaturas mais altas. "O problema que continuamos descobrindo foi quando a temperatura estava acima de 50 graus Celsius, a água no copo evaporou mais rápido do que poderíamos fazer as medições", diz Nayar. 

Nenhum instrumento permitiria que eles obtivessem os dados necessários - 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 através da tampa sem deixar o vapor de água sair”, explica Lienhard.

Após progredir na obtenção de dados, a equipe sofreu um grande revés. Eles descobriram que as escalas de sal quase invisíveis, 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 água do mar variando de temperatura ambiente a 90 graus Celsius e os níveis de salinidade variando de água pura a quatro vezes a salinidade da água do oceano. Eles descobriram que a tensão superficial diminui cerca de 20%, à medida que a água passa da temperatura ambiente para a fervura. Enquanto isso, à medida que a salinidade aumenta, a tensão superficial também aumenta. A equipe desvendou o mistério da tensão superficial da água do mar.

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

Seus dados tiveram um desvio médio de 0,19%, com um desvio máximo de apenas 0,6% - bem dentro do limite de 1% necessário para uma diretriz.

Da tese de mestrado à diretriz internacional

Três anos depois de concluir sua tese de mestrado, Nayar, então estudante de doutorado, participou de uma reunião da IAPWS em Kyoto, Japão. A IAPWS é uma organização internacional sem fins lucrativos responsável por liberar padrões sobre as propriedades da água e do vapor. Lá, Nayar se reuniu com líderes no campo da tensão superficial da água que 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 mecânica do MIT. Para se juntar a Keenan como autores de um padrão do IAPWS, os dados da equipe precisavam ser verificados por medições realizadas por outros pesquisadores. Após 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 é engenheiro sênior de água e esgoto na empresa de consultoria de engenharia GHD, o anúncio da diretriz fez valer a pena os longos meses de coleta de dados. "Parecia que algo estava sendo concluído", lembra ele. 

As descobertas que Nayar, Panchanathan, McKinley e Lienhard relataram em 2014 são amplamente aplicáveis ​​a várias indústrias, de acordo com Lienhard. "É certamente relevante para o trabalho de dessalinização, mas também para problemas oceanográficos, como a dinâmica das ondas capilares", explica ele.

Também ajuda a explicar como pequenas coisas - como um inseto ou um clipe de papel - podem flutuar na água do mar.

 

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