התנהגות נוזלית חריגה שנצפתה במיקרו-כבידה

The weirdness of water could be the answer | Marcia Barbosa | TEDxCERN (יולי 2019).

Anonim

(Phys.org) - בדרך כלל כאשר נוזל מחומם מעל נקודת הרתיחה שלו, הוא מתאדה, הופך לאדים. אבל כאשר מדענים ביצעו לאחרונה ניסוי בתחנת החלל הבינלאומית (ISS), הם הבחינו כי אדי ליד צינור חום מעובה לנוזל גם כאשר הטמפרטורה היתה 160 K מעל נקודת הרתיחה הרגילה של החומר. התוצאות מראות כי כוח משיכה משמעותי משנה את תהליכי האידוי והעיבוי, אך עדיין אין בידי המדענים הסבר מלא לתופעה.

צוות המחקר, המורכב ממדענים מהמכון הפוליטכני של רנסלאר ומרכז המחקר גלן של נאס"א, פרסם מאמר על התצפיות המפתיעות בגיליון האחרון של Physical Review Letters.

אין זו הפעם הראשונה שהתנהגות בלתי צפויה בצינורות חום, שהם התקנים המשמשים לקירור רכיבים של חללית, נצפתה במיקרו-כבידה. בשנת 2015, רבים מאותם חוקרים עשו תצפית קשורה, אנטי-אינטואיטיבית, במהלך ניסויים שנערכו ב- ISS.

באותו זמן, החוקרים הבחינו כי הגדלת קלט החום לצינור חום לא גרמה למכשיר להתייבש ליד הקצה המחומם כפי שהוא עושה על כדור הארץ, אלא היא גרמה לצבירת נוזלים שם. באותו זמן, התהליכים האחראים לתופעה זו לא היו מובנים לחלוטין.

במחקר החדש, החוקרים ביצעו ניסוי דומה צינור חום עם פנטאן ומצא כי, כמו קלט החום על פני השטח גדל, כמות העיבוי גדל. הם נצפו את ההשפעה בטמפרטורות של עד 160 K מעל נקודת הרתיחה הרגילה של פנטאן, הנקודה שבה הניסוי הגיע גבולות הבטיחות שלה. באופן כללי, נוזל מעל נקודת הרתיחה שלו הוא אמר להיות במצב "superheated". כאן, החוקרים מתארים את הקצה החם של צינור החום כמו מוצף בנוזל מחומם.

למרות שלחקרים אין הסבר תיאורטי מלא למה גורם לתופעה זו של עיבוי, הם יודעים על סמך מחקרים קודמים שהיא נובעת בין השאר מאפקט ה- Marangoni. השפעה זו נובעת מן המאפיינים הפיזיים של צינור החום. צינור חום יש סוף מחומם סוף מקורר, אשר יוצר שיפוע הטמפרטורה העיקרית לאורך ציר חם קר של הצינור. אבל מאז הסרט נוזלי על פני השטח של צינור חום אינו אחיד, שיפוע הטמפרטורה הוא תלת מימדי משתנה על פני צינור כולו.

אלה gradients טמפרטורה, בתורו, ליצור משטח gradients. אז זה מוביל אפקט Marangoni, אשר מתרחשת כאשר נוזל קריר יותר, אשר יש מתח גבוה יותר מאשר נוזלים חמים יותר, מושך את נוזל חם כלפי זה. בסופו של דבר, האפקט מייצר זורם Marangoni זורם - אחד מן הקצה המחומם אל הקירור מקור, ועוד ממרכז הצינור לקצוות שלה. זרמים אלה מתרחשים גם באזור "ההתנדפות" החם של הצינור, והם יוצרים חוסר יציבות בשכבה הנוזלית המחזקת את העיבוי. המדענים גם חושדים כי מיקרו או חלקיקים על פני הצינור מגבירים הפרעות טבעיות וכך מסייעים ביצירת עיבוי באזורים אלו.

כפי שהמדענים מסבירים, הסיבה לכך שהעיבוי הזה נצפה בקלות בסביבה של מיקרו-כבידה, אך לא על כדור הארץ, היא שכוח הכבידה החזק יותר על כדור הארץ מגביל את זרימת החזרת הנוזל מהקיר הצונן לקצה המחומם של צינור החום, אשר מפחית במידה ניכרת כוחות מרנגוני. עם זאת, המדענים מציינים כי תופעת העיבוי מתרחשת מתחת לכוח המשיכה של כדור הארץ, אם כי בקנה מידה קטן יותר, והוא מבולבל בקלות עם זיהום פני השטח.

בסך הכל, המדענים מסבירים כי התנהגות נוזלים יוצאת דופן היא מעניינת מבחינה מדעית מכמה סיבות.

"יש שני היבטים מעניינים בסיסיים במחקר", אמר ג'ואל פלאוסקי, מהמכון הפוליטכני של רנסלאר. "הראשון הוא ההתנהגות המתעוררת הנובעת ממערכת סגורה, גם תופעת השיטפונות שראינו ב -2015 וגם תופעת העיבוי שראינו כאן לא נצפתה במערכות פתוחות יותר, שבהן היה רק ​​אידוי או רק עיבוי המתרחש במערכת זו, מאחר שנוזלים מרוכזים ונוזל מתאדים נמצאים בקשר מתמיד אחד עם השני, מתעוררות התנהגויות נוזל חריגות יותר.

ההיבט המעניין השני הוא עד כמה חשוב בין הכוחות הבין-ממדיים ובעיקר בין-מולקולריים, אף על פי שהם פועלים בקשקשים ארוכים בהרבה סדרי גודל קטנים יותר מאשר בקנה מידה של צינור החום.במקרה זה, שחזור כוחות intermolecular לעזור דלק עיבוי מקומית, וזה מתרגם לשינויים גדולים בעובי הסרט שניתן לצפות בהם בעולם, שוב, זה קורה רק אם כל קשקשים אורך יכול להחליף מידע אחד עם השני כפי שהם יכולים במערכת סגורה, צינור חום. "

מלבד היותו בעל עניין בסיסי, התוצאות יכולות לסייע למדענים להבין את המגבלות של צינורות חום כמו התקני קירור עבור החללית, וכן להנחות את העיצוב של גרסאות משופרת. בינתיים, החוקרים מתכננים להמשיך לחקור את ההתנהגות של נוזלים microcravity באמצעות ניסויים שונה.

"אנחנו, ומספר אחרים, הראו כי הוספת מרכיב כימי נוסף למערכת יכולה לשלול חלק מהתכונות המזיקות שנצפו במהלך המבצע עם נוזל טהור", אמר Plawsky. "אנו ננסה ניסויים, בדומה לאלה שכבר ביצענו, בתערובות נוזל, ובמקרים כאלה ניתן להדגיש מדגשים של מרנגוני, המונעים על ידי מעברי טמפרטורה, על ידי מתנגדים מנוגדים שמקורם בהרכב הקומפוזיציה, מידה נוספת של חופש על ידי הוספת המרכיב השני, נוסף, תופעות בלתי צפויות עשוי להופיע. "

הוא הוסיף, כי אם ISS היו להיות מצויד עם יכולת ללכוד תמונה במהירות גבוהה, זה יאפשר לחוקרים לחקור את האופי המדויק של חוסר היציבות וכיצד חוסר היציבות משתנה בתדירות משרעת כמו קלט החום לתוך המכשיר הוא השתנה.

"יש דיבורים על פיתוח מתקן צינור חום בתחנת החלל הבינלאומית", אמר. "אם זה יכול להיות בנוי זה יהיה מאוד מעניין להיות מסוגל לחקור גיאומטריות חלופיות כמו לולאות שאוב נימי, צינורות משולבים חתך משולש, או מרובת רגליים צינורות חום מתנדנד ולראות אם יש כל תופעות בקנה מידה גדול צפוי להתפתח. הניסויים האלה ייעשו במערכות שקופות.למרות שמערכת שקופה לא תפעל בצורה יעילה כמו מערכת מתכתיים, היא מציעה את היתרון של היכולת לראות היכן הנוזל והאדים נמצאים טוב יותר להבין את הדינמיקה נוזל המתרחשים בפנים.

menu
menu