Si dejas caer un puñado de gotas en una sartén muy caliente, podrás verlas deslizarse y bailar.
Estas gotas, lo creas o no, en realidad están levitando. Si una superficie está lo suficientemente caliente, el calor vaporizará el lado de la gota más cercano a ella, creando un colchón de gas sobre el cual flota el resto de la gota.
Esto se conoce como Efecto LeidenfrostLleva el nombre del médico alemán Johann Gottlob Leidenfrost, que documentó este fenómeno en el siglo XVIII.
Ahora, un equipo de científicos ha descubierto una manera de bajar la temperatura a la que se produce esta pequeña danza acuática. Una superficie con textura microscópica transfiere calor a las gotas de forma más eficaz, un descubrimiento que tiene implicaciones para las aplicaciones de transferencia de calor, como la refrigeración de máquinas industriales y torres de refrigeración nuclear.
«Pensábamos que los micropilares cambiarían el comportamiento de este conocido fenómeno, pero nuestros resultados desafiaron incluso nuestra propia imaginación», afirmó. dice el ingeniero mecánico Jingtao Cheng del Instituto Politécnico de Virginia y la Universidad Estatal.
«Las interacciones observadas entre burbujas y gotas son un descubrimiento importante para la transferencia de calor en ebullición».
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Conocemos el efecto Leidenfrost desde hace algún tiempo y sus parámetros se conocen bien. Para que esto ocurra, se necesita suficiente calor para que el agua forme vapor instantáneamente al entrar en contacto con la placa caliente, pero no tanto calor como para que toda la gota de agua se vaporice instantáneamente.
La razón por la que el agua no se vaporiza completamente a temperaturas de Leidenfrost es porque una buena proporción de la energía de la superficie caliente se desvía en forma de vapor en lugar de entrar en el resto de la gota.
La superficie que crearon Cheng y sus colegas consta de cientos de pequeños pilares de aproximadamente 0,08 milímetros de alto, aproximadamente del ancho de un cabello humano. Están dispuestos en una cuadrícula, separados por una distancia de aproximadamente 0,12 milímetros. Cuando se coloca en la superficie, una gota de agua cubre unos 100 pilares.
A medida que el agua se deposita en la superficie, los pilares presionan la gota de agua, transmitiendo más calor al interior y permitiendo que el agua hierva más rápidamente. Esto significa que el efecto Leidenfrost se puede observar en milisegundos y a temperaturas mucho más bajas que en una superficie plana, como una placa calefactora o una sartén.
De hecho, el equipo logró inducir la levitación de Leidenfrost a 130 grados Celsius, muy por debajo de los 230 grados Celsius que estimaron que eran típicos para el efecto en estas condiciones.
Ahora bien, el agua es un excelente medio refrigerante. El agua hierve y se vaporiza a unos 100 grados centígrados (varía ligeramente con la altitud). El agua líquida no puede estar más caliente que este punto de ebullición, ya que se convierte en vapor.
Por eso esta persona era Capaz de cocinar sopa en una bolsa de plástico al fuego.: el calor se transfiere al agua, que no puede exceder el punto de fusión del plástico (nota: no hagas esto, hay químicos en el plástico que no quieres en la sopa).
Por lo tanto, la superficie del micropilar ofrece un mecanismo de transferencia de calor más eficiente que podría ser mucho más seguro que las tecnologías de enfriamiento por agua actualmente en uso, dicen los investigadores, ayudando a prevenir accidentes peligrosos como explosiones de vapor.
«Las explosiones de vapor ocurren cuando las burbujas de vapor dentro de un líquido se expanden rápidamente debido a [presence of an] fuente de calor intensa cercana. Un ejemplo donde este riesgo es particularmente pertinente es en las centrales nucleares, donde la estructura superficial de los intercambiadores de calor puede influir en el crecimiento de burbujas de vapor y potencialmente desencadenar tales explosiones», dice el ingeniero Weng Huang de Virginia Tech.
«A través de nuestra exploración teórica en el artículo, investigamos cómo la estructura de la superficie afecta el modo de crecimiento de las burbujas de vapor, proporcionando información valiosa para controlar y mitigar el riesgo de explosiones de vapor».
La investigación del equipo fue publicada en Física de la naturaleza.
