El profesor asociado de Virginia Tech, Jonathan Boreyko, y el estudiante graduado Mojtaba Edalatpour han descubierto una propiedad sobre el agua que podría proporcionar una interesante adición a un fenómeno que existió hace más de dos siglos. El descubrimiento también abre posibilidades interesantes para equipos y procesos de enfriamiento en aplicaciones industriales que utilizan solo las propiedades fundamentales del agua. Su trabajo fue publicado el 21 de enero en la revista Physical Review Fluids.
El agua existe en tres estados: sólido, líquido y gaseoso. Cuando el hielo se calienta, se vuelve líquido. Cuando el agua líquida se calienta, se convierte en vapor. Cuando la fuente de calor está lo suficientemente caliente, el comportamiento del agua cambia drásticamente. Según Boreyko, las gotas de agua depositadas en la placa de aluminio se calientan a 150 grados centígrados o más y ya no hierven. En cambio, el vapor que se forma cuando la gota se acerca a la superficie quedará atrapado debajo de la gota, creando un amortiguador que evita que el líquido entre en contacto directo con la superficie. El vapor atrapado suspende el líquido, deslizándolo por la superficie calentada como un disco de hockey de aire. El fenómeno se conoce como el “fenómeno de Leidenfrost”, en honor al médico y teólogo alemán que lo describió por primera vez en una publicación de 1751.
Este principio científico generalmente aceptado se aplica al agua como líquido, flotando en un lecho de vapor. El equipo de Boreyko se encontró pensando. ¿Se podría hacer el hielo de la misma manera?
“Con tantos documentos sobre la suspensión de líquidos, queríamos hacer preguntas sobre la suspensión de hielo”, dijo Boreyko. “Comenzó como un proyecto intrigante. Lo que nos impulsó fue la pregunta de si los estados sólido, líquido y gaseoso son posibles. Los tres -fase efecto Leidenfrost”.
La curiosidad provocó la primera investigación en el laboratorio de Boreyko hace unos cinco años, en forma de un proyecto de investigación del entonces estudiante universitario Daniel Cusumano. Lo que observó fue fascinante. Incluso cuando el aluminio se calentó a más de 150 grados centígrados, el hielo no se suspendió en vapor de agua como un líquido. Cusumano siguió elevando la temperatura, observando el comportamiento del hielo a medida que aumentaba el calor. Encontró que el umbral para la levitación era significativamente más alto: 550 grados centígrados, no 150 grados centígrados. Hasta este umbral, el agua de deshielo debajo del hielo continúa hirviendo en contacto directo con la superficie, en lugar de exhibir el efecto Leidenfrost.
¿Qué sucedió bajo el hielo, prolongando el tiempo de ebullición? Poco después, el estudiante graduado Mojtaba Edalatpour volvió al proyecto para resolver el misterio. Edalatpour ha estado trabajando con Boreyko para desarrollar nuevos métodos de transferencia de calor y está aplicando este conocimiento para resolver este problema. La respuesta es la diferencia de temperatura en la capa de agua de deshielo debajo del hielo. La capa de agua de deshielo tiene dos extremos diferentes. Su parte inferior está hirviendo, lo que mantiene la temperatura a unos 100 grados centígrados, pero su parte superior está pegada al hielo restante, que la mantiene a unos 0 grados centígrados.
Boreyko explica: “La diferencia de temperatura que el hielo crea de manera única sobre la capa de agua ha cambiado lo que le sucede al agua en sí misma, porque ahora la mayor parte del calor de la placa caliente debe pasar a través de la superficie del agua para mantener esta diferencia de temperatura extrema. Entonces, solo un Una pequeña fracción de la energía se puede utilizar para generar vapor de agua”.
“Es mucho más difícil hacer flotar cubitos de hielo que gotas de agua”, dijo Boreyko. “Una vez que comienza la suspensión, la transferencia de calor cae drásticamente porque cuando el líquido se suspende, ya no hierve. Flota en la superficie en lugar del contacto, y el contacto es lo que hace que hierva. Entonces, para la transferencia de calor, la suspensión es terrible Sí. La ebullición es increíble”.
A medida que el equipo exploró las posibilidades de aplicaciones prácticas, se fijaron en el trabajo existente. Debido a la extensa investigación de Edalatpour sobre transferencia de calor, este tema se convirtió en una elección lógica.
La transferencia de calor juega su papel más importante en cosas como el enfriamiento de servidores informáticos o motores de automóviles. Requiere una sustancia o mecanismo que aleje la energía de las superficies calientes, redistribuyendo el calor rápidamente para reducir el desgaste de los componentes metálicos. En las plantas de energía nuclear, la aplicación de hielo para inducir un enfriamiento rápido puede ser una medida de emergencia de fácil implementación en caso de un corte de energía, o una práctica de rutina para reparar los componentes de la planta.
También hay aplicaciones potenciales en la metalurgia. Para producir la aleación, es necesario templar el metal ya formado dentro de una ventana de tiempo estrecha para fortalecer el metal. Si se aplica hielo, permitirá una rápida transferencia de calor a través de las tres fases acuosas, enfriando el metal rápidamente.
Boreyko también prevé aplicaciones potenciales en la extinción de incendios. Él dijo: “Puedes imaginarte tener una manguera especial que rocía copos de hielo, no agua. No es ciencia ficción. Visité una compañía aeroespacial que tenía túneles helados y ya tenían esta tecnología donde las boquillas arrojan partículas de hielo, no gotas de agua. .”
Con innumerables posibilidades, Boreyko y Edalatpour están entusiasmados con las nuevas contribuciones que surgen de la comunidad científica. Mirando hacia atrás en los últimos cinco años, todavía atribuyen este emocionante desarrollo a su chispa compartida de curiosidad e impulso innovador en su investigación.
