Gelo para transferir calor? Descoberta expande princípio do século 18

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/01/2022

O efeito Leidenfrost só aparece no estado sólido em temperaturas muito altas.
[Imagem: Mojtaba Edalatpour et al. - https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.7.014004]

Efeito Leidenfrost

Se você fizer uma gota de água transicionar suavemente para qualquer coisa acima de 100 ºC, ela vai ferver e passar da fase líquida para a fase gasosa.

Mas, se a mudança for brusca demais, o comportamento da água muda dramaticamente.

Jogue algumas gotas de água sobre uma frigideira quente e você as verá saltar e correr pela frigideira, sem ferver, entrando em cena um fenômeno conhecido como efeito Leidenfrost, observado em 1751 por Johann Gottlob Leidenfrost.

Quando a gota de água cai em uma placa metálica aquecida a 150 ºC ou mais, o vapor que se forma na interface entre o metal e a gota ficará preso sob a gota, criando uma almofada que impede que o líquido entre em contato direto com a superfície quente. O vapor preso faz com que o líquido "levite", deslizando pela superfície aquecida, sem ferver inteiramente.

Mojtaba Edalatpour e seus colegas da Universidade Rice, nos Estados Unidos, tiveram então uma curiosidade: Será que o mesmo acontece com o gelo, com a água em estado sólido?

"Existem tantos artigos por aí sobre levitação de líquido que queríamos fazer a pergunta sobre levitação de gelo. Começou como um projeto por curiosidade. O que motivou nossa pesquisa foi a questão de saber se era ou não possível ter um efeito Leidenfrost trifásico, com sólido, líquido e vapor," disse o professor Jonathan Boreyko, cuja equipe já vem tentando usar essas gotas levitadoras para retirar calor dos processadores.

Levitação do gelo

Edalatpour foi aumentando gradativamente a temperatura da frigideira e jogando cubos de gelo sobre ela - e ele precisou de muito gás, gelo e paciência, conforme subia criteriosamente a temperatura.

O limite para a levitação do gelo mostrou-se dramaticamente mais alto: 550 ºC em vez de 150 ºC. Até esse limite, a água derretida sob o gelo continua a ferver em contato direto com a superfície quente, sem apresentar o efeito Leidenfrost.

A explicação para isso está no diferencial de temperatura na camada de água derretida sob o gelo. A camada de água liquefeita tem dois extremos diferentes: Sua base está em ebulição, o que fixa a temperatura em cerca de 100 ºC, mas seu topo está aderido ao gelo, o que o fixa em cerca de 0 ºC.

A manutenção desse diferencial extremo de temperatura consome a maior parte do calor da superfície metálica, explicando por que a levitação é muito mais difícil para o gelo.

Isso é uma grande novidade para o campo da transferência de calor, seja quando você quer esquentar ou esfriar alguma coisa. A água fervente transporta o calor para longe de um substrato de maneira ideal, e é por isso que você sente bastante calor subindo de uma panela de água que está fervendo, mas não de uma panela de água que está apenas quente.

Nesse quesito, a dificuldade em levitar gelo é realmente uma coisa boa, uma vez que a janela de temperatura maior para ebulição resultará em melhor transferência de calor, em comparação com o uso de um líquido.

A equipe já montou um modelo para fazer uso prático de sua descoberta.
[Imagem: Mojtaba Edalatpour et al. - https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.7.014004]

Usinas nucleares e ligas metálicas

Esta descoberta pode ter aplicações práticas envolvendo a transferência de calor.

Em usinas de energia nuclear, a aplicação de gelo para induzir resfriamento rápido pode se tornar uma medida de emergência de fácil implementação se a energia falhar, ou uma prática regular para a manutenção de peças de usinas de energia termoelétricas em geral, sugere a equipe.

Também há aplicações potenciais para a metalurgia. Para produzir ligas metálicas, é necessário extinguir o calor dos metais em uma janela de tempo muito estreita, para tornar o metal mais forte e menos quebradiço. Se for aplicado gelo, isso permitiria que o calor fosse descarregado rapidamente através das três fases da água, resfriando rapidamente o metal.

"Você pode imaginar ter uma mangueira feita especialmente para pulverizar lascas de gelo em vez de um jato de água," sugere o professor Boreyko. "Isso não é ficção científica."

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