麻省理工学院的研究人员首次在分子水平上对蒸发过程进行了研究。
实验中使用的微孔薄膜的扫描电镜图。薄膜主要用于加热液体和测定蒸发后的温度。
清晨的咖啡壶和郊区的大型发电厂都涉及一个重要的过程：蒸发。这个过程非常常见，以至于人们会认为这是一个理所当然的事情——蒸发就是液体沸腾后离开热表面的过程而已。然而，美国麻省理工学院和日本东京大学的研究人员最近才首次在分子水平上详细揭示了驱动蒸发过程的秘密。据美国“物理学网”（phys.org）6月11日报道，麻省理工学院研究人员Evelyn Wang等在《自然通讯》杂志发布了相关研究成果。Wang说：“事实证明，我们对液-气转化过程的理解还比较有限。虽然已经有很多理论来解释这个过程，但并没有实验证据来表明蒸发的物理学基本原理。”理解蒸发过程具有重要价值，诸如蒸汽发电、海水淡化和热管理等技术都会因此受益。Wang补充说：“优化这类过程的效率需要对蒸发动力学有比较深刻的认识。目前在大多数情况下，工程师们只能依靠经验和观察来指导他们的选材和操作。”
在新技术的帮助下，研究人员能够分析出一系列对蒸发过程有决定性作用的特征因素，例如时间、压力和温度变化等。在分析过程中，研究人员发现决定液体蒸发速度的关键因素不是表面和液体之间的温差，而是液体表面和周围蒸汽之间的压力差。美国伦斯勒理工学院（RPI）教授Pawel Keblinski表示，虽然液体在给定温度和压力下的蒸发过程看似是一个“简单问题”，但在实验论证方面，研究人员一直没有太大进展——观察蒸发过程中的液-汽界面和分析界面附近的温度、压力情况的难度实在太大了。他说：“Wang等的新研究让我们更加接近‘蒸发真相’。随着新观测技术的发展，科学家们可以逐渐走上量化蒸发过程之路。”
Wang等成功的重要原因在于，消除了使分析复杂化的其他因素的影响。例如，液体进入空气时会受到空气本身绝缘性能的强烈影响。而在实验中，整个过程是在一个只有液体和蒸汽存在的特定空间中进行的，不会受到空气的影响。再比如，为了研究液体和蒸汽之间的边界效应，研究人员使用了一种布满小孔的特殊薄膜。薄膜的厚度只有约200纳米，材质主要为氮化硅，其表面覆盖有金涂层。水经毛细管作用输送至孔隙中，然后在电加热条件下蒸发。麻省理工博士后研究人员Zhengmao Lu说：“薄膜也是传感器，它能以非侵入方式精确测定蒸发表面的温度。薄膜表面的金涂层至关重要，它的电阻变化与温度之间存在函数关系。因此通过实验前的校准，我们就能在实验中通过读取膜的阻力来获得蒸发时的直读温度。”
实验结果表明，蒸发的实际驱动力并非温度差，而是压力差。Wang说：“实验结果与理论预测非常吻合。虽然这个结果看上去很简单，但为了研制微孔薄膜和配套系统，我们花费了大约两年的时间。”
Wang等的新发现有望为工程师们设计新的类蒸发系统提供指导。RPI研究人员Joel Plawsky对Wang等的工作给与了高度评价，他说：“测试装置的制造和操作都非常困难，但他们还是取得了很好的成果。这项工作会对解释不同类型的流体和混合流体的行为有很大帮助，其后续工作的价值难以想象。”
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编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：张梦
期刊来源：《自然通讯》
期刊编号：2041-1723
原文链接：
https://phys.org/news/2019-06-pressure-temperature-strongly-quickly-liquids.html
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