Физики узнали, почему Солнце так хорошо испаряет воду
Солнечные лучи испаряют воду лучше, чем другие источники тепла, обратили внимание ученые Университета штата Северная Каролина (NC State). И провели исследование, чтобы выяснить причины. Его результаты опубликованы в Materials Horizons.
«Хорошо известно, что солнце исключительно хорошо вызывает испарение воды — например, эффективнее, чем нагрев на плите. Однако до сих пор не было ясно, почему именно. Наша работа подчеркивает роль электрических полей в этом процессе», — сообщил аспирант NC State Саклайн Раза.
«Это часть более масштабных усилий научного сообщества понять данный феномен, который может быть применен, например, для разработки более эффективных технологий испарения воды», — добавил соавтор исследования Цзюнь Лю с кафедры машиностроения и аэрокосмической техники NC State.
Ученые провели компьютерное моделирование испарения воды, в котором меняли различные параметры солнечного света, чтобы понять, как это влияет на процесс.
«Свет — это электромагнитная волна, которая частично состоит из колеблющегося электрического поля. Мы обнаружили, что если убрать это поле из уравнения, испарение воды под солнечным светом замедляется. Но когда поле присутствует, вода испаряется очень быстро. И чем сильнее электрическое поле — тем быстрее происходит испарение. Именно наличие этого поля отличает свет от тепла с точки зрения испарения воды», — подчеркивает Лю.
Авторы исследования объяснили полученные ими результаты.
«Во время испарения происходит одно из двух, — говорит Раза. — Либо освобождаются отдельные молекулы воды, которые отрываются от основной массы жидкости, либо высвобождаются кластеры воды — группы связанных молекул, которые могут отрываться от жидкости, оставаясь соединенными друг с другом. Обычно происходят оба процесса в разной степени».
«Мы выяснили, что колеблющееся электрическое поле особенно эффективно отрывает кластеры воды. Это более энергоэффективно, потому что для отрыва кластера, состоящего из множества молекул, требуется не больше энергии, чем для отрыва одной молекулы», — отмечает Лю.
Исследователи продемонстрировали это, смоделировав испарение чистой воды и гидрогеля.
«В чистой воде у поверхности, где происходит испарение, кластеров воды почти нет, — поясняет Раза. — Но во второй модели их много, потому что они образуются на границе воды и гидрогеля. Поскольку там больше кластеров у поверхности, испарение происходит быстрее. По сути, колеблющемуся полю есть что "отрывать" от жидкости».
В этой работе впервые с помощью моделирования показана роль водных кластеров, заключил руководивший исследованием Цзюнь Лю. Он выразил надежду, что результаты помогут в разработке более эффективных систем опреснения воды и солнечных испарителей.
