(Phys.org) —Normalmente, cuando un líquido se calienta por encima de su punto de ebullición, se evapora, convirtiéndose en vapor. Pero cuando los científicos realizaron recientemente un experimento en la Estación Espacial Internacional (ISS), observaron que el vapor cerca de un tubo de calor se condensaba en un líquido incluso cuando la temperatura era 160 K por encima del punto de ebullición normal de la sustancia. Los resultados muestran que la microgravedad altera significativamente los procesos de evaporación y condensación, pero los científicos aún no tienen una explicación completa del fenómeno.

El equipo de investigación compuesto por científicos del Instituto Politécnico Rensselaer y el Centro de Investigación Glenn de la NASA, han publicado un artículo sobre las sorprendentes observaciones en un número reciente de Cartas de revisión física .

Esta no es la primera vez que un comportamiento inesperado en los tubos de calor, que son dispositivos utilizados para enfriar componentes de una nave espacial, se ha observado en microgravedad. En 2015, muchos de los mismos investigadores hicieron un observación contradictoria durante los experimentos llevados a cabo en la ISS.

En ese tiempo, Los investigadores observaron que el aumento de la entrada de calor a una tubería de calor no provocó que el dispositivo se seque cerca del extremo calentado como ocurre en la Tierra. pero en cambio provocó la acumulación de líquido allí. En el momento, los procesos responsables de este fenómeno no se entendieron completamente.

En el nuevo estudio, Los investigadores realizaron un experimento similar de tubería de calor con pentano y encontraron que, a medida que aumentaba la entrada de calor a la superficie, la cantidad de condensación aumentó. Observaron el efecto a temperaturas de hasta 160 K por encima del punto de ebullición normal del pentano, el punto en el que el experimento alcanzó sus límites de seguridad. En general, Se dice que el líquido por encima de su punto de ebullición está en un estado "sobrecalentado". Aquí, los investigadores describen el extremo caliente de la tubería de calor como inundado con líquido sobrecalentado.

Aunque los investigadores no tienen una explicación teórica completa de las causas de este fenómeno de condensación, saben, basándose en investigaciones previas, que surge en parte debido al efecto Marangoni. Este efecto se debe a las características físicas del tubo de calor. Un tubo de calor tiene un extremo calentado y un extremo enfriado, que crea un gradiente de temperatura primario a lo largo del eje frío-calor de la tubería. Pero dado que la película líquida en la superficie del tubo de calor no es uniforme, el gradiente de temperatura es tridimensional y varía en toda la superficie de la tubería.

Estos gradientes de temperatura, Sucesivamente, crear gradientes de tensión superficial. Esto luego conduce al efecto Marangoni, que ocurre cuando un líquido más frío, que tiene una tensión superficial más alta que el líquido más caliente, tira del líquido más caliente hacia él. En el final, el efecto produce flujos impulsados ​​por Marangoni, uno desde el extremo calentado hasta el extremo enfriado, y otro desde el centro del tubo hasta sus bordes. Estos flujos ocurren incluso en la "zona de evaporación" caliente de la tubería, y generan una inestabilidad en la capa líquida que refuerza la condensación. Los científicos también sospechan que las micropartículas o nanopartículas en la superficie de la tubería amplifican las perturbaciones naturales y, por lo tanto, ayudan a iniciar la condensación en esas regiones.

Como explican los científicos, la razón por la que esta condensación es fácilmente observable en un entorno de microgravedad pero no en la Tierra es que la gravedad más fuerte en la Tierra restringe el flujo de retorno de líquido desde el extremo enfriado al extremo calentado del tubo de calor, lo que reduce en gran medida las fuerzas de Marangoni. Sin embargo, los científicos señalan que el fenómeno de condensación ocurre bajo la gravedad de la Tierra, aunque a menor escala, y se confunde fácilmente con la contaminación de la superficie.

En general, los científicos explican que el comportamiento inusual de los fluidos es científicamente interesante por algunas razones.

"Hay dos aspectos fundamentalmente interesantes del estudio, "dijo el coautor Joel Plawsky del Instituto Politécnico Rensselaer Phys.org . “El primero es el comportamiento emergente que proviene de tener un sistema cerrado. Ni el fenómeno de inundación que presenciamos en 2015 ni el fenómeno de condensación que presenciamos aquí se observaron en sistemas más abiertos donde solo había evaporación o solo ocurría condensación. En este sistema, Dado que el líquido condensado y el líquido que se evapora están en constante comunicación entre sí, surgen comportamientos fluidos más inusuales.

"El segundo aspecto interesante es cuán importantes pueden ser las fuerzas interfaciales y especialmente intermoleculares, a pesar de que operan a escalas de longitud muchos órdenes de magnitud menores que la escala del tubo de calor. En este caso, las fuerzas intermoleculares restauradoras ayudan a alimentar la condensación localmente, y eso se traduce en grandes cambios en el espesor de la película que se pueden observar globalmente. De nuevo, esto solo ocurre si todas las escalas de longitud pueden intercambiar información entre sí como pueden hacerlo en un sistema de tubería de calor ".

Además de ser de interés fundamental, Los resultados podrían ayudar a los científicos a comprender las limitaciones de los tubos de calor como dispositivos de refrigeración para naves espaciales. y orientar el diseño de versiones mejoradas. Mientras tanto, los investigadores planean investigar más a fondo el comportamiento de los fluidos en microgravedad a través de experimentos modificados.

"Nosotros, y varios otros, han demostrado que agregar un segundo componente químico al sistema puede anular algunas de las características perjudiciales observadas durante la operación con un fluido puro, ", Dijo Plawsky." Intentaremos experimentos, similares a los que ya hemos ejecutado, con mezclas fluidas. En esos casos, Marangoni destaca, impulsado por gradientes de temperatura, puede compensarse mediante tensiones opuestas impulsadas por gradientes de composición. Sin embargo, dado que ahora se ha agregado otro grado de libertad al agregar el segundo componente, adicional, pueden aparecer fenómenos inesperados ".

Añadió que, si la ISS estuviera equipada con una capacidad de captura de imágenes de alta velocidad, permitiría a los investigadores investigar la naturaleza exacta de la inestabilidad y cómo la inestabilidad cambia en frecuencia y amplitud a medida que cambia la entrada de calor en el dispositivo.

"Se habla de desarrollar una instalación de tubería de calor en la Estación Espacial Internacional, ", dijo." Si eso pudiera construirse, sería muy interesante poder investigar geometrías alternativas como lazos de bombeo capilar, tubos triangulares de la sección transversal, o tubos de calor oscilantes de múltiples patas y ver si se desarrolla algún fenómeno inesperado a gran escala. Todos estos experimentos se realizarían con sistemas transparentes. Aunque un sistema transparente no funcionará tan eficientemente como un sistema metálico, ofrece la ventaja de poder ver dónde están el líquido y el vapor y comprender mejor la dinámica de fluidos que ocurre en el interior ".

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