Lord Kelvin tiene razón: la ecuación de Kelvin para la condensación del vapor de agua se aplica incluso a nivel atómico

Sorprendentemente válido: contrariamente a la creencia popular, la ecuación de presión de vapor establecida hace 150 años por Lord Kelvin se aplica no solo a nivel macroscópico, sino también a nivel molecular. Incluso en capilares que tienen solo unas pocas moléculas de agua de espesor, la ecuación describe correctamente la condensación del vapor de agua, como lo ha demostrado un experimento por primera vez. Hasta ahora, se esperaba que la física clásica fallara en esta escala.

Ya sea en castillos de arena, tejidos biológicos o aplicaciones técnicas: muchas propiedades fundamentales de estos materiales, como su fricción, adhesión, humectación o corrosión, están determinadas por un proceso físico: la condensación. capilar. Determina si y en qué medida la humedad del aire se refleja en los poros, las irregularidades y las microgrietas del material y se condensa allí para formar agua líquida.

La relación entre la humedad, la condensación del vapor de agua y el tamaño de los poros se describe mediante la ecuación de presión de vapor establecida por el físico británico Lord Kelvin hace unos 150 años. Utilizando parámetros como la tensión superficial, la densidad del agua, la temperatura, la constante del gas y el radio de curvatura de la superficie del agua en el capilar (menisco), se puede utilizar para calcular el condensación de vapor de agua en el aire.

¿Qué tan bien se mantiene la ecuación de Kelving?

Sin embargo, la ecuación de Kelving tiene un gran inconveniente, al menos como se pensaba anteriormente: solo se aplica a los capilares en los que aún se puede determinar el radio de curvatura del menisco. Este es el caso de los capilares con un diámetro de alrededor de diez nanómetros. “Pero en el mundo real, los poros, las grietas y las cavidades no se detienen en varios nanómetros, sino que pueden reducirse mucho”, explica Qian Yang de la Universidad de Manchester y sus colegas. «Esto es exactamente lo que hace que la condensación sea un proceso tan diario».

El problema, sin embargo: «Con poros aún más pequeños, se espera que la ecuación de Kelving falle cuando la cavidad se acerque al tamaño de las moléculas de agua individuales», explican los científicos. Porque cuando un capilar o un poro tiene solo unas pocas moléculas de agua, las propiedades del agua cambian. Además, ya no es posible determinar la curvatura del menisco y el ángulo de contacto de la interfaz en el borde del capilar, por lo que la ecuación carece de parámetros.

Soportes de grafeno y cristales caídos

Yang y sus colegas ahora han probado por primera vez en un experimento si la ecuación de Kelving realmente falla en el rango molecular. Para esto pusieron varias bandas Gráfico sobre una base cristalina y cubrió estos espaciadores con un cristal de silicato en capas de unas pocas capas atómicas de espesor. Esto creó pequeños canales entre las bandas de grafeno, que varían en diámetro desde un grosor de un solo átomo de carbono hasta varios nanómetros, dependiendo del número de capas atómicas en el grafeno.

Luego siguió el paso decisivo: utilizando el microscopio de fuerza atómica, los investigadores observaron cuánto se hundía la capa superior muy delgada sobre los túbulos, y cómo esto cambiaba según la humedad y la temperatura. el grosor de los túbulos. Porque la capa superior da paso a la gravedad cuando el canal de abajo está vacío. Sin embargo, si el agua se condensa allí, este relleno de agua sostiene la capa superficial: “Cuando el agua se condensó en los canales, la holgura disminuyó abruptamente”, informan los científicos.

Gracias a estas mediciones, Yang y sus colegas pudieron determinar las condiciones en las que se produce la condensación en sus capilares y, por lo tanto, también si estos valores coinciden con los de la ecuación de Kelving.

¡Y esto todavía se aplica!

El resultado asombroso: las observaciones fueron más o menos lo que cabría esperar según la ecuación de Kelving, aunque la condensación aquí tuvo lugar en el nivel molecular más pequeño. «Fue una gran sorpresa. Esperaba un colapso completo de la física convencional ”, dice Yang. «Pero la vieja ecuación funcionó bien».

Por primera vez, los investigadores han demostrado experimentalmente que la ecuación de Kelving conserva su validez incluso en la escala más pequeña. “Todos los efectos de condensación y las propiedades asociadas con ellos ahora están respaldados por evidencia sólida en lugar de solo suposiciones como, ‘Eso parece encajar, así que solo estamos usando esta ecuación para eso también’, dice Yang.

Incluso Lord Kelvin se sorprendería

Aunque hace 150 años Lord Kelvin no tenía forma de examinar el reino de los átomos, él mismo cubrió esta área en su ecuación. «Una buena teoría a menudo se aplica más allá de sus límites de aplicación», explica el autor principal, Andre Geim, de la Universidad de Manchester. “Sin embargo, incluso Lord Kelvin se sorprendería si su teoría fuera válida incluso a escala atómica. Porque él mismo pensó que era imposible. «

Al hacerlo, los científicos confirmaron y refutaron a Lord Kelvin al mismo tiempo: su ecuación es cierta incluso en una región donde el propio Kelvin no lo esperaba. (Naturaleza, 2020; doi: 10.1038 / s41586-020-2978-1)

Esos: Universidad de Manchester

15 de diciembre de 2020

– Nadja Podbregar