كل مادة تتبخر، ولكن كيف بالضبط؟

أثبتت عمليات المحاكاة الحاسوبية التي أجراها علماء من معهد الكيمياء الفيزيائية التابع لأكاديمية العلوم البولندية أن النماذج النظرية الموجودة اليوم فيما يتعلق بظاهرة التبخر مبنية على افتراضات غير صحيحة

يعد التبخر ظاهرة شائعة في الطبيعة، ويبدو أنه منذ حوالي مائة وثلاثين عامًا قد تم فهم آليته بشكل صحيح. ومع ذلك، أثبتت عمليات المحاكاة الحاسوبية التي أجراها علماء من معهد الكيمياء الفيزيائية التابع للأكاديمية البولندية للعلوم أن النماذج النظرية الحالية مبنية على افتراضات غير صحيحة. وبفضل عمليات المحاكاة، أصبح من الممكن تحديد الآليات الدقيقة المسؤولة عن تبخر القطرات في الفراغ أو في بيئة مشبعة بأبخرة السائل الذي يتم اختباره. وفي الوقت نفسه، فإن الآلية التي تلعب الدور الحاسم في حالات التبخر إلى خليط من الغازات، مثل الهواء الذي نتنفسه، لا تزال مجهولة.

يحدث التبخر بشكل متكرر في كل مكان في بيئتنا. وتلعب هذه الظاهرة دورًا مهمًا في تكوين النظم البيئية على الأرض، وفي العمليات الحياتية للعديد من الكائنات الحية - بما في ذلك البشر، الذين، مثل العديد من الكائنات الحية الأخرى، يستخدمون هذه العملية لتثبيت درجة حرارة أجسامهم.

"أول منشور علمي يناقش آلية التبخر كتبه الفيزيائي المعروف جيمس كليرك ماكسويل. يقول البروفيسور روبرت هويست من معهد الكيمياء الفيزيائية في الأكاديمية البولندية للعلوم: "لقد تمكنا من إثبات وجود خطأ في هذا المنشور واستمر حتى خلال الـ 130 عامًا التالية". قدمت عمليات المحاكاة الحاسوبية، التي اكتملت منذ فترة طويلة، حلاً لبعض المعلومات المفقودة فيما يتعلق بتبخر السائل في الفراغ أو في بخار السائل نفسه. والآن، يخطط الباحثون لسلسلة من التجارب التي ستتحقق من التصحيحات التي تم إدخالها بعد عمليات المحاكاة للنموذج الذي يصف آلية تبخر قطرات الماء في الهواء.

حوالي سبعين بالمائة من الأرض مغطاة بالمحيطات والبحار التي تتبخر باستمرار. ونظرًا لأن حرارة تبخر الماء عالية جدًا، فإن التبخر يحدد إلى حد كبير المناخ وفقًا للأرض. علاوة على ذلك فإن محتوى بخار الماء -الغاز الرئيسي للاحتباس الحراري- في الغلاف الجوي يتغير نتيجة لهذا التبخر. وقد يصل تركيز بخار الماء في الهواء إلى مستوى حوالي أربعة في المائة - وهي قيمة أعلى بمئة مرة من قيمة ثاني أكسيد الكربون، وهو غاز مسبب للاحتباس الحراري سيء السمعة. ووفقا لعدة تقديرات، إذا لم يكن هناك تبخر للمياه في الهواء على الإطلاق، فإن درجة الحرارة على الأرض ستكون أقل من عشرين إلى ثلاثين درجة مئوية.

على الرغم من أن عملية التبخر شائعة وتلعب دورًا مهمًا في البيئة، إلا أنه لم يتم إيلاء سوى القليل من الاهتمام لهذه الظاهرة. يقول الباحث الرئيسي: "لقد تطورت دراساتنا أيضًا عن طريق الصدفة، كما يحدث غالبًا في العلوم". "منذ عدة سنوات، كان على معهدنا اختبار برنامج جديد للحسابات المتعلقة بتدفق السوائل. قررنا اختبار جهاز المحاكاة باستخدام مشكلة معروفة. لقد اخترنا التبخر لأننا نعتقد أن مثل هذه الظاهرة الشائعة والمعروفة ستؤدي إلى نتائج واضحة. ومع ذلك، بعد أن أجرينا الحسابات باستخدام صيغ مألوفة، أدركنا أن هناك تناقضًا."

طور العلماء البولنديون نموذجهم النظري الخاص الذي يشرح الظاهرة، وفي الخطوة التالية أجروا عمليات محاكاة حاسوبية تشير إلى عملية تبخر القطرات النانوية في الفراغ أو في أبخرة خاصة بهم. وكانت نقطة البداية عبارة عن قطرة من السائل المحبوس في وعاء مغلق، وهو في حالة توازن مع بخاره. في بعض عمليات المحاكاة تم تسخين جدران الوعاء، وفي جزء آخر تمت إزالة البخار وفي جزء آخر تمت إزالة البخار ولكن درجة الحرارة ظلت ثابتة.

أثناء التبخر، تحدث الأحداث الأكثر روعة عند الحدود بين السائل والبخار. سمك هذه الواجهة يساوي قطر الذرة الواحدة. إن محاكاة التبخر في مكعب صغير نسبيًا، يبلغ طول حوافه مترًا، ستتطلب حساب عشرات المليارات من النقاط على طول كل محور من المحاور ثلاثية الأبعاد. وفي هذه المرحلة، سيصل إجمالي عدد نقاط الحساب إلى مليارات المليارات، وهو رقم يتجاوز القدرات الحسابية لأجهزة الكمبيوتر الحالية أو المستقبلية. ولمواجهة هذا التحدي، قام علماء المعهد بفحص نظام لا يتجاوز حجمه سنتيمترا واحدا، حيث تتبخر قطيرة يبلغ قطرها حوالي سبعين ميكرومترا. بالإضافة إلى ذلك، وبسبب اعتبارات التماثل، كان من الممكن تقليل الوصف النظري من ثلاثة أبعاد إلى بعد واحد فقط. وكانت نتائج المحاكاة متفقة تماما مع المعلومات المتاحة التي تم الحصول عليها من القياسات.

"افترض ماكسويل أن التبخر يحدث عند درجة حرارة ثابتة. وهذا صحيح إذا نظرنا إلى الحالة الأولية أي السائل، والحالة النهائية أي البخار. وبالفعل فإن درجات الحرارة في الدولتين متساوية. ومع ذلك، أثناء عملية التبخر، تعمل الطبيعة بطريقة مختلفة تمامًا"، يوضح أحد أعضاء فريق الباحثين.

يفترض الوصف الحالي أن انتقال الحرارة في النظام مستقر وأن معدل التبخر محدود بكفاءة العملية التي يتم فيها فصل الجزيئات عن سطح البخار، أي عملية الانتشار. ومع ذلك، بناءً على عمليات المحاكاة التي تم إجراؤها في المعهد، تم اكتشاف أنه أثناء التبخر في الفراغ أو في بخار السائل نفسه، يصل النظام إلى التوازن الميكانيكي بسرعة كبيرة. يتم فصل الجزيئات عن سطح السائل ويتيح تنافرها الميكانيكي مقارنة الضغوط الداخلية داخل القطرة. إذا وصل معدل التبخر في السطح إلى قيمته القصوى وكان النظام لا يزال غير قادر على موازنة الضغوط، فسيبدأ الانخفاض في الغليان. ومن ناحية أخرى، اكتشف الباحثون أن التوازن الميكانيكي للضغوط قد يكون غير كاف، ومن ثم تنخفض درجة حرارة سطح السائل: يميل الانخفاض إلى الحفاظ على توازن الضغوط على حساب طاقته الداخلية. ومن ثم، يقول الباحثون، إن النتائج تشير إلى أن العامل الحاسم أثناء عملية التبخر ليس انتشار الجزيئات في البيئة، بل نقل الحرارة ومعادلة الضغوط. وفي الخطوة التالية، يخطط الباحثون لفحص النظام الذي يحدث فيه التبخر داخل خليط من الغازات، وعلى وجه الخصوص - الهواء.

في الختام - إن الفهم الأعمق للآليات الفيزيائية المسؤولة عن عملية التبخر سيؤثر على العديد من مجالات الأنشطة البشرية - ستسمح النماذج المناخية الأفضل بتنبؤات جوية أكثر دقة، سواء على المدى القصير أو على المدى الطويل، وتطوير أنظمة أكثر كفاءة. سيكون من الممكن توفير أجهزة لتبريد المعالجات - الكمبيوتر، ولتطوير أجهزة ليزر جديدة. نظرًا لأن تبخر السوائل الدقيقة من الوقود في محركات المركبات التي يتم حقنها داخل غرفة الاحتراق يجب أن يحدث بعد الإشعال، فإن الأفكار حول الآليات الدقيقة للتبخر ستحسن بشكل كبير من كفاءة المركبات في المستقبل من ناحية توفير الوقود.

ويخلص الباحث الرئيسي إلى أن "دراستنا تثبت أنه لا يزال من المفيد إعادة النظر في الصيغ القديمة".

أخبار الدراسة