Por que o Sol é mais eficiente em fazer a água evaporar?

Por que o sol é tão bom em evaporar água?

Pesquisadores podem ter descoberto por que a radiação solar é mais eficaz do que outras formas de energia em induzir a evaporação da água.

E não é uma curiosidade acadêmica: Esse fenômeno tem importantes implicações ambientais e largas aplicações industriais, onde quer que a evaporação da água esteja envolvida, da geração de energia e da produção de vapor na indústria à purificação da água para consumo.

“Está bem estabelecido que o Sol é excepcionalmente eficiente em fazer a água evaporar – mais eficiente do que aquecer água no fogão, por exemplo,” comenta o professor Saqlain Raza, da Universidade Estadual da Carolina do Norte, nos EUA. “No entanto, ainda não está claro exatamente o porquê. Nosso trabalho destaca o papel que os campos elétricos desempenham nesse processo.”

Para explorar o assunto de modo mais flexível, os pesquisadores se voltaram para simulações computacionais, que permitem alterar diferentes parâmetros associados à entrada de energia para observar como cada característica influencia a evaporação.

E, ao analisar a eficiência da luz solar na evaporação da água, a equipe percebeu a importância do componente elétrico da radiação solar.

“A luz é uma onda eletromagnética que consiste, em parte, em um campo elétrico oscilante,” explicou o pesquisador Jun Liu. “Nós descobrimos que, se removemos o campo elétrico oscilante da equação, a luz solar leva mais tempo para evaporar a água. Mas, quando o campo está presente, a água evapora muito rapidamente. E quanto mais forte o campo elétrico, mais rápido a água evapora. A presença desse campo elétrico é o que separa a luz do calor quando se trata da evaporação da água.”

Esquema representando a radiação solar como um campo elétrico alternado aplicado à água nas regiões líquida e de interface. O campo elétrico sinusoidal fornece energia e auxilia na quebra dos aglomerados de água na região da interface líquido-vapor, permitindo sua evaporação. O mesmo princípio também se aplica a moléculas de água individuais na região de interface.

[Imagem: Saqlain Raza et al. – 10.1039/D5MH00353A]

Campo elétrico e aglomerados de moléculas

O que as simulações mostraram é que a eficiência da luz solar na evaporação da água envolve o próprio comportamento das moléculas de água ante esse componente elétrico.

“Durante a evaporação, acontece uma de duas coisas,” explicou Raza. “A evaporação libera moléculas de água individuais, que se afastam da maior parte da água líquida, ou libera aglomerados de água. Aglomerados de água são grupos finitos de moléculas de água que estão conectadas umas às outras, mas podem se separar do restante da água líquida, mesmo que ainda estejam interconectadas. Geralmente, ambas as coisas acontecem em graus variados.”

Mas o que exatamente o campo elétrico oscilante faz que força a água a evaporar mais rapidamente?

“Nós descobrimos que o campo elétrico oscilante é particularmente eficaz na quebra dos aglomerados de água,” disse Liu. “Isso é mais eficiente porque não é necessário mais energia para quebrar um aglomerado de água, com muitas moléculas, do que para quebrar uma única molécula.”

Isso ficou claro quando a equipe comparou a luz solar incidindo sobre água pura e sobre um hidrogel.

“Na água pura, não encontramos muitos aglomerados de água perto da superfície, onde a evaporação pode ocorrer,” detalhou Raza. “Mas há muitos aglomerados de água no segundo modelo, porque eles se formam onde a água entra em contato com o hidrogel. Como há mais aglomerados de água perto da superfície no segundo modelo, a evaporação ocorre mais rapidamente. Basicamente, há mais aglomerados de água que o campo oscilante pode separar da água líquida.”