(Phys.org) - Normalmente, quando um líquido é aquecido acima de seu ponto de ebulição, evapora, se transformando em um vapor. Mas quando os cientistas realizaram recentemente um experimento na Estação Espacial Internacional (ISS), eles observaram que o vapor próximo a um tubo de calor condensou-se em um líquido mesmo quando a temperatura estava 160 K acima do ponto de ebulição normal da substância. Os resultados mostram que a microgravidade altera significativamente os processos de evaporação e condensação, mas os cientistas ainda não têm uma explicação completa para o fenômeno.

A equipe de pesquisa, consistindo de cientistas do Rensselaer Polytechnic Institute e do NASA Glenn Research Center, publicaram um artigo sobre as observações surpreendentes em uma edição recente da Cartas de revisão física .

Esta não é a primeira vez que um comportamento inesperado em tubos de calor, que são dispositivos usados ​​para resfriar componentes de uma espaçonave, foi observada em microgravidade. Em 2015, muitos dos mesmos pesquisadores fizeram um relato, observação contra-intuitiva durante experimentos conduzidos na ISS.

Naquela hora, os pesquisadores observaram que aumentar a entrada de calor em um tubo de calor não fez com que o dispositivo secasse perto da extremidade aquecida, como acontece na Terra, mas, em vez disso, causou acúmulo de líquido ali. No momento, os processos responsáveis ​​por esse fenômeno não foram totalmente compreendidos.

No novo estudo, os pesquisadores realizaram um experimento semelhante com o tubo de calor com pentano e descobriram que, conforme a entrada de calor para a superfície aumentou, a quantidade de condensação aumentou. Eles observaram o efeito em temperaturas de até 160 K acima do ponto de ebulição normal do pentano, o ponto em que o experimento atingiu seus limites de segurança. Em geral, líquido acima de seu ponto de ebulição é considerado um estado "superaquecido". Aqui, os pesquisadores descrevem a extremidade quente do tubo de calor como sendo inundada com um líquido superaquecido.

Embora os pesquisadores não tenham uma explicação teórica completa para o que causa esse fenômeno de condensação, eles sabem, com base em pesquisas anteriores, que ela surge em parte devido ao efeito Marangoni. Este efeito decorre das características físicas do tubo de calor. Um tubo de calor tem uma extremidade aquecida e uma extremidade resfriada, que cria um gradiente primário de temperatura ao longo do eixo quente-frio do tubo. Mas, uma vez que a película líquida na superfície do tubo de calor não é uniforme, o gradiente de temperatura é tridimensional e varia em toda a superfície do tubo.

Esses gradientes de temperatura, por sua vez, criar gradientes de tensão superficial. Isso leva ao efeito Marangoni, que ocorre quando o líquido mais frio, que tem uma tensão superficial mais alta do que o líquido mais quente, puxa o líquido mais quente em sua direção. No fim, o efeito produz fluxos impulsionados por Marangoni - um da extremidade aquecida para a extremidade resfriada, e outra do centro do tubo até suas bordas. Esses fluxos ocorrem mesmo na "zona de evaporação" quente do tubo, e geram uma instabilidade na camada de líquido que reforça a condensação. Os cientistas também suspeitam que micro ou nanopartículas na superfície do tubo amplificam as perturbações naturais e assim ajudam a iniciar a condensação nessas regiões.

Como os cientistas explicam, a razão pela qual essa condensação é facilmente observável em um ambiente de microgravidade, mas não na Terra, é que a gravidade mais forte na Terra restringe o fluxo de retorno de líquido da extremidade resfriada para a extremidade aquecida do tubo de calor, o que reduz bastante as forças de Marangoni. No entanto, os cientistas observam que o fenômeno de condensação ocorre sob a gravidade da Terra, embora em uma escala menor, e é facilmente confundido com contaminação de superfície.

Geral, os cientistas explicam que o comportamento incomum do fluido é cientificamente interessante por alguns motivos.

"Existem dois aspectos fundamentalmente interessantes para o estudo, "disse o co-autor Joel Plawsky do Rensselaer Polytechnic Institute Phys.org . “O primeiro é o comportamento emergente que vem de ter um sistema fechado. Nem o fenômeno de inundação que testemunhamos em 2015 nem o fenômeno de condensação que testemunhamos aqui foram observados em sistemas mais abertos onde havia apenas evaporação ou apenas condensação ocorrendo. Nesse sistema, uma vez que o líquido condensado e o líquido de evaporação estão em comunicação constante um com o outro, surgem comportamentos fluidos mais incomuns.

"O segundo aspecto interessante é quão importante podem ser as forças interfaciais e, especialmente, intermoleculares, embora operem em escalas de comprimento muitas ordens de magnitude menores do que a escala do tubo de calor. Nesse caso, as forças intermoleculares restauradoras ajudam a alimentar a condensação localmente, e isso se traduz em grandes mudanças na espessura do filme que podem ser observadas globalmente. Novamente, isso só ocorre se todas as escalas de comprimento puderem trocar informações umas com as outras, como podem em um ambiente fechado, sistema de tubulação de calor. "

Além de ser de interesse fundamental, os resultados podem ajudar os cientistas a compreender as limitações dos tubos de calor como dispositivos de resfriamento para espaçonaves, e orientar o design de versões aprimoradas. Enquanto isso, os pesquisadores planejam investigar mais a fundo o comportamento dos fluidos na microgravidade por meio de experimentos modificados.

"Nós, e uma série de outros, mostraram que adicionar um segundo componente químico ao sistema pode anular algumas das características prejudiciais observadas durante a operação com um fluido puro, "Disse Plawsky." Faremos experimentos, semelhantes aos que já executamos, com misturas de fluidos. Em tais casos, Marangoni enfatiza, impulsionado por gradientes de temperatura, pode ser compensado por tensões opostas impulsionadas por gradientes de composição. Contudo, já que agora um outro grau de liberdade foi adicionado, adicionando o segundo componente, adicional, fenômenos inesperados podem aparecer. "

Ele adicionou isso, se a ISS fosse equipada com uma capacidade de captura de imagem em alta velocidade, permitiria aos pesquisadores investigar a natureza exata da instabilidade e como a instabilidade muda em frequência e amplitude conforme a entrada de calor no dispositivo é alterada.

"Fala-se no desenvolvimento de uma instalação de tubos de calor na Estação Espacial Internacional, "disse ele." Se isso pudesse ser construído, seria muito interessante ser capaz de investigar geometrias alternativas, como loops bombeados capilares, tubos de seção transversal triangular, ou tubos de calor oscilantes com várias pernas e veja se há algum fenômeno inesperado em grande escala que se desenvolva. Todos esses experimentos seriam feitos com sistemas transparentes. Mesmo que um sistema transparente não opere tão eficientemente como um sistema metálico, oferece a vantagem de poder ver onde estão o líquido e o vapor e compreender melhor a dinâmica dos fluidos que ocorre no seu interior. "

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