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Oct 28, 2023

El límite de altura de un sifón.

Scientific Reports volumen 5, número de artículo: 16790 (2015) Cite este artículo 78k Accesos 19 Citas 96 Detalles de Altmetric Metrics Se publicó un corrigendum de este artículo el 2 de mayo de 2017 Este

Scientific Reports volumen 5, número de artículo: 16790 (2015) Citar este artículo

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Detalles de métricas

El 2 de mayo se publicó una corrección de errores de este artículo.

Este artículo ha sido actualizado

Generalmente se supone que la altura máxima de un sifón depende de la presión barométrica: unos 10 m al nivel del mar. Este límite surge porque la presión en un sifón por encima del nivel superior del depósito está por debajo de la presión ambiental y cuando la altura de un sifón se acerca a los 10 m, la presión en la corona del sifón cae por debajo de la presión de vapor del agua, lo que hace que el agua hierva. la columna. Después de romperse, las columnas de ambos lados se sostienen mediante la presión diferencial entre la atmósfera y la región de baja presión en la parte superior del sifón. Aquí informamos un experimento de un sifón que funciona al nivel del mar a una altura de 15 m, muy por encima de los 10 m. La desgasificación previa del agua evitó la cavitación. Este experimento proporciona evidencia concluyente de que los sifones funcionan mediante gravedad y cohesión molecular.

Aunque el sifón se utiliza desde la antigüedad, el modo de funcionamiento ha sido motivo de controversia1,2,3,4,5,6. Se han propuesto dos modelos competitivos, uno en el que se considera que los sifones funcionan mediante gravedad y presión atmosférica y otro en el que se invoca la gravedad y la cohesión del líquido. La evidencia clave para el modelo atmosférico es que la altura máxima de un sifón es aproximadamente igual a la altura de una columna de líquido que puede ser soportada por la presión barométrica ambiental. En este modelo, se considera que un sifón son dos barómetros consecutivos. Otra evidencia que apoya el modelo atmosférico es el hecho de que el flujo sifónico puede ocurrir con una burbuja de aire dentro del tubo, de modo que no hay conexión física entre las moléculas de agua. La evidencia que respalda el modelo de cohesión gravitacional es que se ha demostrado que los sifones funcionan en condiciones de vacío7,8,9 y el modelo puede explicar una curiosa característica similar a una cascada cuando un sifón opera cerca del límite barométrico10.

Ambos modelos de sifón (atmosférico y de cohesión) predicen que la altura máxima de un sifón depende de la presión barométrica ambiental. En el caso del modelo atmosférico, se requiere la presión de la atmósfera para mantener unida la columna de agua. En el modelo de cohesión, el límite se explica porque la presión en la parte superior del sifón cae por debajo de la presión de vapor del agua, a la temperatura dada, de modo que se produce cavitación, es decir, el agua comienza a hervir rompiendo así la columna.

Sin embargo, el modelo de cohesión predice que si se puede prevenir la cavitación, se puede romper el límite de altura barométrica. La razón de la cohesión es que las superficies cuestan energía y la superficie agua/aire no es diferente. En el caso del agua, la energía superficial suele denominarse tensión superficial. La energía superficial de la interfaz agua/aire es de 0,072 J/m2. Cuesta energía hacer burbujas en el agua debido a la energía de la superficie de las burbujas. Para que una burbuja sea estable debe estar sostenida por la presión interna de un gas o por la tensión equivalente (presión negativa) en el agua. Para el gas en una burbuja, la presión (P) viene dada por (1). Esta ecuación11 es exacta para un gas ideal, pero es una aproximación para un gas real.

donde γ es la energía superficial (J/m2 o N/m) y r (m) es el radio de la burbuja. Una buena presión de referencia es la presión atmosférica, que es = 1,013 × 105 Pa (N/m2). Una presión interna de una atmósfera (o tensión equivalente en el agua) podría soportar una burbuja de radio r donde:

Es decir, una burbuja de 1,42 μm de radio (un diámetro de 2,8 μm) genera una presión interna de una atmósfera. De manera equivalente, se produciría una tensión igual al soporte de una atmósfera para una burbuja vacía de 2,8 μm de diámetro. Una burbuja más pequeña soportaría una mayor tensión de agua y una burbuja más grande una menor tensión de agua. Una burbuja de 2,8 nm de diámetro podría tolerar una tensión de agua igual a 1000 atmósferas (100 MPa).

Se han realizado muchos experimentos para medir la resistencia a la tracción del agua12,13,14,15,16,17,18,19,20 y se han alcanzado valores tan altos como −150 MPa21. Todos estos experimentos se han realizado en muestras estáticas. En este artículo informamos, por primera vez, un sifón que funciona por encima del límite barométrico a presión atmosférica ambiente. De esta manera demostramos el flujo masivo de agua bajo tensión.

En un experimento inicial, se mantuvieron 60 ml de agua corriente del grifo con una capa protectora de aceite de silicona de 4 ml bajo un vacío de <10-3 Pa durante un período de más de tres semanas. Durante el proceso de desgasificación inicial, se desprendieron volúmenes significativos de gas tanto de la capa de agua como de la capa de cobertura. Este proceso se atribuye comúnmente a la ebullición, pero como se explica en secciones posteriores, este efecto se debe enteramente a los gases disueltos que salen del agua. Se evaporó una pequeña cantidad de agua (~2 ml) del volumen inicial, principalmente debido a la exposición de la superficie del agua cuando grandes burbujas pasaron a través de la capa protectora.

Una vez que el agua y la capa de cobertura se desgasificaron por completo, no hubo más pérdidas de ninguno de los fluidos. Después de permitir que el recipiente volviera a la presión atmosférica durante un breve periodo de tiempo, las evacuaciones posteriores no provocaron que se desprendiera más gas del agua (secuencia de vídeo 1). Sin embargo, devolver el recipiente a la presión del aire ambiente durante varias horas permitió que el gas fuera reabsorbido en la capa de cobertura de aceite y, durante un período más largo, en el agua que se encontraba debajo. Este gas volvió a liberarse cuando el contenedor fue reevacuado.

En el siguiente experimento, se probó la fuerza cohesiva del agua utilizando un simple tubo en U invertida con la base expuesta al vacío, a la manera de un barómetro (Fig. 1). Inicialmente, el tubo en U se colocó por debajo del nivel de la superficie del líquido, mientras se evacuaba el recipiente de vidrio y se eliminaban por completo todos los gases de arriba y del interior de los líquidos. Cuando la presión parcial dentro del recipiente se redujo a 7,5 ± 0,05 × 10-1 Pa, se elevó el tubo en U levantando el vértice del tubo a una altura de 300 mm por encima de la superficie del petróleo. Con una densidad marginalmente menor que la del agua, se supuso que la superficie del petróleo estaba cerca de la de una hipotética interfaz de vacío de agua. Se observó que el agua formaba una columna continua sin que se formaran burbujas/cavidades en la parte superior del tubo (Fig. 2). Luego se mantuvo el tubo en U invertida en esta posición durante un período superior a cuatro semanas. Después de este tiempo, el tubo en U se inclinó aún más, de modo que el vértice estaba a 400 mm por encima de la superficie, mientras se reducía la presión parcial sobre el líquido a 5 ± 0,05 × 10-3 Pa. En esta posición se observó que la columna de agua estaba estable y no se observan burbujas en el tubo en U incluso después de varias horas.

Imagen superior: Aparato experimental para la desgasificación de agua; Imagen de la derecha: Vista ampliada de McLeod Gauge; Diagrama inferior: La probeta graduada de vidrio de 100 ml se llena con 60 ml de agua y se tapa con 5 ml de aceite, que se encuentra sobre una pequeña bandeja de metacrilato encima de la bomba turbomolecular. Los manómetros están marcados 1) APG-M-NW16, 2) AIM-S-NW25 y McLeod.

Diagrama de un barómetro de tubo en U lleno de agua.

La figura inferior muestra la posición durante la evacuación y desgasificación del agua con una capa protectora de aceite y la figura superior muestra el tubo en U inclinado en su posición mientras la base se mantiene bajo vacío.

Para probar la capacidad del agua para mantener la cohesión en condiciones de flujo, se construyó un sifón de vidrio de modo que ambos depósitos pudieran mantenerse en alto vacío (Fig. 3), de manera similar a la realizada anteriormente por Noaks8. En esta disposición, durante el proceso de desgasificación con el tubo en U colocado debajo del petróleo, el nivel del líquido en ambos depósitos era igual a la mitad de cada uno de ellos. Cuando el tubo en U se elevó a una posición vertical, un desplazamiento en la posición permitió que un depósito se elevara más que el otro, lo que generó una pequeña diferencia de altura. Con el tubo en U inicialmente en la posición inferior, se desgasificó el agua a una presión parcial de 9,5 ± 0,05 × 10-1 Pa. El vértice del tubo en U estaba elevado 300 mm y se observó que el agua fluía desde la cámara superior hacia el inferior a través del tubo de sifón hasta la cámara inferior (secuencia de vídeo 2).

Fotografía del barómetro de tubo en U bajo vacío.

Las lecturas de presión están en Pa y la altura del vértice es de 300 mm por encima de la superficie del líquido.

Si bien el flujo se inició independientemente de la presión atmosférica dentro del sifón, se observó que el movimiento de los depósitos entre las condiciones estáticas y de flujo expuso superficies que previamente estaban cubiertas con agua. Mientras esto sucedía, se observó que la presión en la región de vacío aumentaba por encima de 103 Pa. Al darse cuenta de que esto representaba un defecto fundamental, en este y en intentos anteriores de otros para producir un sifón de agua en condiciones de vacío, se consideró que un sifón de longitud moderada No se pudo descartar de manera concluyente los efectos de la presión de vapor sobre el soporte de la columna.

Para descontar el efecto de la presión externa que actúa sobre la columna de líquido, se construyó un segundo sifón, operando en condiciones atmosféricas, con una altura superior al límite barométrico nominal de 10 m, utilizando agua desgasificada mediante un desecador de vacío (Fig. 4). .

Diagrama de un sifón de agua al vacío.

La figura inferior muestra la posición durante la evacuación y desgasificación del agua con la capa de cobertura de aceite y la figura superior muestra la posición del sifón inclinado con el líquido que fluye desde el depósito superior al inferior, mientras cada depósito se mantiene bajo vacío.

La altura del sifón, definida como la distancia vertical entre la superficie del agua en el depósito superior y el vértice del tubo, comenzó en 1498 ± 2 cm y aumentó a 1504 ± 2 cm (Fig. 5). La presión barométrica durante el experimento fue de 99,8 ± 0,1 kPa. El experimento se repitió varias veces y en el vídeo complementario correspondiente se muestra un ejemplo (secuencia de vídeo 3). Después de abrir ambos grifos en la base del sifón precebado, se observó que el agua fluía solo por la parte inferior de las dos patas del sifón (secuencia de video 4). Aproximadamente 400 ml de agua fluyeron desde el depósito superior al inferior en 850 s, lo que corresponde a un flujo de 4,7 ± 0,05 × 10−7 m3 s−1 y una velocidad promedio de 1,7 ± 0,05 × 10−2 m s−1.

Diagrama de un sifón de altura superior al límite barométrico con los depósitos abiertos al aire.

El agua del depósito superior se tapa con una capa de 5 mm de aceite de silicona. Se utiliza una polea en el vértice para soportar la longitud del tubo y evitar torceduras en el mismo.

Para medir los efectos de la acción capilar al contribuir a elevar el agua dentro del tubo de sifón, se sumergió un extremo del tubo de sifón vacío en el agua desgasificada, que estaba abierta al aire, mientras que el otro extremo abierto del tubo se mantuvo por encima del nivel del líquido. Como no se observó ninguna diferencia entre las alturas del líquido dentro y fuera del tubo de nailon, se descartó que la acción capilar desempeñara un papel importante en el proceso de sifón.

La capacidad de desgasificar completamente el agua siempre ha representado un desafío importante en la realización de experimentos que investigan la resistencia a la tracción de los líquidos. Es ampliamente conocido que la gran variación observada tanto dentro como entre diferentes métodos de investigación de las propiedades del agua se debe a la naturaleza impredecible de los gases disueltos en ella22. En agua libre de gases disueltos, las burbujas sólo se forman cuando la energía ganada al formar una cavidad es mayor que la energía de unión de las moléculas circundantes.

Por lo tanto, la formación de cavidades en agua completamente desgasificada representa el límite de cohesión de las moléculas de agua. De los métodos utilizados, como la ebullición, la sonicación, la desgasificación por membrana y la descongelación con bomba de congelación, aquellos en los que el agua se expone al vacío generalmente se consideran los más eficaces para eliminar todos los gases disueltos. Esto se puede entender extrapolando al límite de la ley de Henry.

donde C es la solubilidad de un gas a una temperatura fija en un disolvente particular, k es la constante de Henry y Pgas la presión parcial del gas sobre el líquido. Por consiguiente, a presión cero la cantidad de gas disuelto también debería ser igual a cero. Sin embargo, debido a limitaciones prácticas, es difícil lograr presiones sobre la superficie muy por debajo de la presión de vapor, que para el agua a 20 °C es aproximadamente 2,33 kPa y, en consecuencia, siempre habrá algunos gases disueltos.

A temperaturas superiores al punto de congelación y inferiores al punto de ebullición, los enlaces entre moléculas de agua adyacentes en la interfaz aire líquido se rompen y reforman continuamente. Este intercambio constante entre moléculas que salen y se vuelven a unir generalmente se encuentra en equilibrio a la presión atmosférica y la temperatura ambiente, razón por la cual vemos agua líquida en abundancia en la Tierra. Sin embargo, una vez que se reduce la presión sobre la interfaz, o se aumenta la temperatura del líquido debajo, el equilibrio cambia y, en promedio, las moléculas de agua se pierden del líquido a granel.

Un método sencillo para superar la pérdida de agua es cambiar la barrera de energía en la superficie del agua aplicando una capa de líquido inmiscible sobre la superficie. Al hacer flotar un líquido con una gravedad específica baja y una presión de vapor ultrabaja sobre el agua, las moléculas en la interfaz no pueden salir del agua y migrar a través del líquido de cobertura hacia la superficie. Por lo tanto, la pérdida por evaporación que normalmente ocurre por debajo de la presión del vapor de agua se reduce considerablemente, si no se anula por completo.

Después de desgasificar inicialmente el agua, no hubo más pérdidas por evaporación ni cavitación dentro del líquido a granel, ni en ninguna interfaz cuando la presión ambiental era inferior a 10-3 Pa. Si bien se podría argumentar que el petróleo estaba aplicando una fuerza descendente sobre el agua elevando la presión por encima de la del punto de vapor, con una capa de cobertura de sólo 5 mm, el aceite contribuiría con una presión descendente de menos de 43 Pa.

También se observó que con la superficie del agua cubierta por petróleo durante la etapa de desgasificación solo había una caída de temperatura, medida con un termómetro de mercurio, cuando la superficie del agua quedaba expuesta al vacío, como ocurría cuando grandes burbujas explotaban en el superficie. Luego, la temperatura del agua aumentaría gradualmente con el tiempo y volvería a la temperatura ambiente del laboratorio. Este aumento de temperatura muy lento se atribuyó en parte a algo de energía radiante a través del frente de Perspex de la cámara, pero predominantemente a la conducción térmica a través del aparato. Durante el período de 3 semanas, bajo vacío, se observó que la temperatura del agua permanecía estable en aproximadamente 21 °C.

Este sorprendente comportamiento se explica considerando la dinámica de la evaporación, donde, en promedio, las moléculas más energéticas tienden a abandonar la superficie primero. En este caso, al aumentar la barrera de energía en la superficie, no puede ocurrir evaporación, por lo tanto hay poca o ninguna pérdida neta de energía del sistema dejando la temperatura constante. En consecuencia, si bien el aceite actúa como una barrera eficaz contra la pérdida de agua por evaporación, no impide el transporte de gas en ninguna dirección ni cambia significativamente el gradiente de presión dentro del líquido. En consecuencia, estos experimentos muestran que, si bien el agua expuesta se evapora bajo presiones parciales bajas, como sería de esperar, la cavitación interna o ebullición nucleada no ocurre a temperatura ambiente, incluso bajo presiones ambientales extremadamente bajas.

Para un sifón con gases disueltos la altura máxima (hm) de un sifón es

donde P0 es la presión atmosférica ambiental, Pv es la presión de vapor del agua, v la velocidad media del agua y los demás símbolos son como se definieron previamente en este artículo. La expresión para el modelo atmosférico es la misma que la ecuación (3), excepto que no incluye el término Pv.

El sifón en el experimento descrito en este artículo estaba operando claramente por encima del límite barométrico, que, a la presión barométrica dada, era de 10,18 ± 0,01 m para el modelo atmosférico y 9,94 ± 0,01 m para el modelo de cohesión (ignorando el término de velocidad insignificante). Por lo tanto, es evidente que la presión atmosférica no influye en el transporte del agua sobre el vértice del tubo del sifón. Por lo tanto, está claro que se requiere una nueva ecuación para la altura máxima de un sifón en situaciones en las que no se produce cavitación.

La nueva ecuación es mucho más simple y es

donde TSw es la resistencia a la tracción del agua. Así, por ejemplo, si la resistencia a la tracción de una muestra de agua fuera de 1 MPa, la altura máxima de un sifón sería de unos 100 m. En el caso del sifón de este experimento podemos decir que la resistencia a la tracción del agua fue superior a −0,15 MPa.

Extrapolando estos resultados incluso de las mediciones experimentales más conservadoras de la tensión bajo la cual se produce la cavitación, es posible que la fuerza cohesiva del agua completamente desgasificada sea capaz de soportar una columna vertical continua de más de varios cientos de metros. Si bien el experimento realizado aquí no alcanzó ni cerca del límite absoluto previsto, sí arroja luz sobre la estabilidad del flujo de agua bajo tensión de tracción y la posibilidad de construir aparatos de dimensiones adecuadas para probar dicho límite. Estos experimentos también respaldan la teoría de cohesión-tensión del ascenso de la savia en los árboles. Sería interesante realizar más experimentos para ver si es posible operar un sifón que fluye a más de 100 m. Si en el vértice de un sifón se pueden mantener tensiones tan altas como una tensión transitoria de unos 100 bar, entonces, en principio, un sifón debería funcionar hasta una altura de varios kilómetros. Sin embargo, sería un desafío verificar esto experimentalmente, ya que se necesitaría un helicóptero o un UAV con un techo de varios kilómetros capaz de soportar varios kg de tubos llenos de agua y cables que sostengan el sifón. También sería interesante repetir el experimento con un tubo de mayor diámetro. En vista de las numerosas anomalías del agua a granel23, sería interesante explorar las propiedades físicas del agua en el régimen de presión negativa de un sifón por encima de 10 m.

En intentos anteriores de desgasificar agua en recipientes construidos con materiales como metal y caucho, se observó que las superficies actuaban como sitios de nucleación eficaces que conducían a la formación continua de burbujas y a la pérdida de agua. Por ello, en los experimentos aquí descritos se utilizó vidrio o nailon para las superficies que entraron en contacto con el agua. Para ayudar en la observación, se usó un tinte rojo soluble en agua (Rodamina 640 Perclorato, Exciton Inc), después de realizar primero cada experimento usando agua del grifo sin tratar. No hubo diferencias notables en las tasas de nucleación/desgasificación observadas ni en la presión absoluta alcanzada entre el agua corriente del grifo y el agua teñida en todos los experimentos posteriores. Como el tinte no era soluble en aceite, la capa protectora permaneció transparente e incolora en todas partes.

Para el experimento inicial, las mediciones de la presión de vacío se realizaron utilizando tres medidores independientes montados en el costado del recipiente de vacío con frente de Perspex (Fig. 1). Los vacuómetros estaban ubicados en el lado más alejado de la cámara de manera que las lecturas de presión fueran independientes de cualquier flujo molecular entre la superficie de aceite/agua y la bomba de vacío, midiendo así la presión estática en la cámara. Los tres medidores consisten en un medidor Edwards Active Priani (APG-M-NW16), un medidor Edwards Active Inverted Magnetron (AIM-S-NW25) y un medidor Edwards Vacustat McLeod, con rangos operativos de atmósfera a 1 × 10-2 Pa, 1 a 1 × 10-6 Pa y de 10 a 0,01 mm de Hg para cada uno respectivamente. Para proporcionar un rango de presión completo una vez que la presión en la cámara se redujo por debajo del límite operativo del manómetro Pirani, se utilizó el manómetro AIM para registrar la presión. Para proporcionar una verificación independiente de los dos medidores electrónicos, también se conectó a la cámara un medidor Edwards Vacustat McLeod lleno de mercurio. Aunque menos preciso que los dos medidores electrónicos, el medidor McLeod pudo mostrar que el vacío era de un orden de magnitud similar y que los medidores electrónicos no se vieron afectados indebidamente por el agua en la atmósfera parcial.

En el primer experimento de desgasificación, se mantuvieron 60 ml de agua corriente del grifo en una probeta medidora de 100 ml colocada dentro de una cámara de vacío con frente de Perspex (Fig. 1). Para medir los cambios de temperatura durante el proceso de evacuación, se colocó un termómetro de vidrio calibrado (-10 a 100 °C) lleno de mercurio en el agua dentro del cilindro de medición. Una capa de 5 mm de espesor de fluido de bomba de difusión Satorrlene Normal (Duravac Products Ltd) (con una presión de vapor saturado de 3,2 × 10−6 Pa a 25 °C, gravedad específica de 0,863 g/cm3 a 25 °C, viscosidad de 60 mPa s a 40 °C) luego se hizo flotar sobre el agua. Como los dos líquidos son inmiscibles, el aceite de silicona menos denso formó una capa protectora visible sobre la superficie del agua. Una vez que el agua estuvo completamente cubierta con una capa de aceite, el aire se eliminó de la cámara evacuando a través de un orificio de 6 cm de diámetro en la base de la cámara al que se le añadió una bomba de vacío turbomolecular BOC Edwards EXT70 (B722–01–000). está directamente adjunto. A partir de presiones atmosféricas, esto se logró abriendo la válvula rápida SP16K Edwards en la base de la bomba turbo que estaba conectada, mediante un fuelle de vacío KF25 de 60 cm de largo, a una bomba de paletas rotativas Edwards 5 (A653–01–903). Una vez que se alcanzaron presiones de vacío inferiores a 1 Pa, se encendió la bomba turbomolecular para reducir la presión a menos de 1 × 10-3 Pa.

A medida que el volumen por encima de los fluidos se evacuó a presiones inferiores a 3 kPa, los gases disueltos se liberaron inmediatamente a una velocidad muy alta, apareciendo de una manera no muy diferente a la de la ebullición nucleada. Después de la explosión inicial de gas, la velocidad de liberación disminuyó significativamente y aún aparecían burbujas ocasionales después de un período de muchas horas. En las etapas intermedias del proceso de desgasificación, la baja presión parcial provocó que burbujas ocasionales se expandieran explosivamente a través de la superficie del petróleo, exponiendo el agua al vacío. Cuando esto ocurría, una pequeña cantidad de agua en la superficie se evaporaba, lo que generaba más burbujas en un ciclo continuo, lo que provocaba una marcada caída de la temperatura observada en el termómetro. Para evitar la evaporación completa de la muestra y la posible congelación del agua, el recipiente de vacío se aisló inmediatamente hasta que la presión parcial aumentó y disminuyó la formación de burbujas. Una vez que la superficie del agua se hubo asentado y se formó una capa continua de petróleo sobre el agua, se reanudó el bombeo.

Durante las etapas posteriores del proceso de desgasificación, fue necesario ralentizar o detener temporalmente la bomba de vacío para permitir que la capa de aceite se reformara y emergiera el gas, ya que el flujo de pequeñas burbujas a través del aceite lo había convertido en una espuma translúcida. Luego se repitió el proceso bomba-parada-bomba hasta que el aceite se volvió completamente transparente. Cuando no se observó que se desprendiera más gas de ninguno de los líquidos, la presión parcial se redujo a <10-3 Pa encendiendo la bomba turbo.

Para el experimento del tubo en U invertida y el sifón de vacío, las presiones se midieron usando un manómetro Edwards Priani montado en la parte superior de una manguera corta de plástico reforzado flexible, de 400 mm de largo y 6 mm de diámetro interior, frente a dos grifos de vacío sellados con goma que se conectaban a las bombas de vacío y al aire. El bombeo del vacío se logró usando una bomba de difusión Edwards, desbastada usando una bomba de vacío rotativa llena de aceite (Edwards 8). Cuando no estaba conectado a una cámara de muestra, se registró una presión parcial de menos de 10-4 Pa utilizando un manómetro Edwards Penning aguas arriba de la bomba de difusión. Durante la desgasificación inicial de las muestras, la línea de vacío podría desviarse directamente a la bomba rotativa. La bomba rotativa también se usó cuando la muestra se bombeó continuamente durante períodos de tiempo prolongados.

El recipiente de vidrio con tubo en U se fabricó conectando un tubo en U de vidrio de 500 mm de largo y 6 mm de diámetro interior al depósito de vidrio. La base del tubo en U tenía una forma tal que, a medida que el vértice se elevaba verticalmente, las conexiones a los depósitos permanecían debajo de la superficie del líquido. Durante el proceso de desgasificación, el tubo en U se inclinó hacia abajo, lejos de la superficie del volumen evacuado, permitiendo que las burbujas formadas en el tubo en U flotaran libremente hacia la superficie del agua antes de pasar a través del petróleo. Se observó que en etapas posteriores del proceso de desgasificación, las burbujas formadas dentro del tubo en U se expandían, llenando casi toda la longitud del tubo. Una vez que la burbuja alcanzaba la superficie, las columnas de agua se volvían a unir a gran velocidad, provocando un fuerte zumbido dentro del recipiente de vidrio, que a menudo nucleaba nuevas burbujas dentro de la columna. Una vez que se completó el proceso de desgasificación después de un período de varias horas, se elevó el vértice del tubo en U mientras el volumen por encima de los líquidos se evacuaba continuamente usando la bomba rotativa Edwards y luego a presiones parciales reducidas usando una bomba de difusión de vacío. Para el sifón de vacío se utilizó un método de construcción y desgasificación similar. Estos métodos luego se repitieron para cada uno de los experimentos con tubo en U y sifón de vacío con tinte agregado al agua.

Para crear el sifón por encima del límite barométrico, se utilizó un tubo de nailon flexible de 30 m de largo y 6 mm de diámetro interior (componentes RS). En cada extremo del tubo había dos grifos de vacío de acero inoxidable. Antes de llenarlo con el agua previamente desgasificada, el tubo se lavó continuamente con agua del grifo durante 4 horas para eliminar cualquier depósito dentro del tubo. Luego, el tubo se conectó por un extremo a las bombas de vacío y se evacuó continuamente durante un período de 48 horas para permitir que se eliminaran todos los compuestos volátiles. El cebado del tubo se logró colocando el extremo cerrado del tubo evacuado en el agua desgasificada, que luego se abrió permitiendo que el agua fluyera hacia arriba por el tubo, mientras que el otro extremo permaneció abierto al sistema de vacío. Se tuvo cuidado para evitar que el aceite de tapa entre en el tubo durante este proceso. Una vez que el tubo estuvo completamente lleno con agua desgasificada, ambos extremos del tubo se cerraron listos para colocar el sifón en su posición.

Antes de colocar el tubo en su posición, primero se invirtió el sifón de modo que los extremos del tubo estuvieran en el punto más alto con la curvatura en el punto más bajo. Esto se hizo para permitir que se añadiera agua desgasificada adicional ya que el aumento de peso provocaba una ligera expansión en la longitud del tubo. Una vez que se añadió el agua adicional, el tubo se volvió a invertir con la curvatura en el vértice y las patas colgando hacia abajo dentro de los depósitos. Para evitar que se produzcan torceduras en la manguera en el vértice del sifón, el tubo se colocó en una polea de 12 cm de diámetro. Una vez cebado, un extremo del sifón se colocó en un depósito que contenía más agua desgasificada, y el otro se ventiló 30 cm más abajo dentro de un vaso de vidrio vacío de 1 litro con ambos depósitos abiertos al aire. Luego se abrieron los grifos en ambos extremos del tubo para que el líquido pudiera fluir libremente a lo largo de los 14,5 m de elevación hasta el depósito inferior (secuencia de vídeo 4). Una vez que el depósito superior estuvo casi agotado de líquido, se levantó el extremo del líquido permitiendo que el aire fluyera hacia la base del tubo.

Durante todo el proceso de sifón no se observaron burbujas en el tubo, sin embargo, se observó que emanaban pequeñas burbujas del extremo inferior del sifón durante las etapas finales de drenaje del tubo. Se pensaba que estas burbujas provenían del aire atrapado en el grifo y el recipiente de vidrio en la base del tubo, que fue desalojado por el líquido que fluía rápidamente.

Cómo citar este artículo: Boatwright, A. et al. El límite de altura de un sifón. Ciencia. Rep. 5, 16790; doi: 10.1038/srep16790 (2015).

Se ha publicado una corrección que se adjunta a las versiones HTML y PDF de este documento. El error no se ha solucionado en el periódico.

Informes Científicos 5: Número de artículo: 16790; publicado en línea: 02 de diciembre de 2015; actualizado: 2 de mayo de 2017 Deseamos reconocer un experimento relacionado realizado en 1995 por Andrew K Fletcher (http://inclinedbedtherapy.com), en el que un tubo de 48 m de longitud y 6 mm de diámetro, lleno de agua desgasificada, se levantó 24 m verticalmente contra Acantilados de Brixham.

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Los autores desean agradecer a EPSRC por el apoyo financiero y al Dr. Shengfu Yang, al Prof. Andrew Ellis y al Prof. Anthony Stace FRS por el uso de su aparato de vacío.

Departamento de Química, Universidad de Leicester, Leicester, LE1 7RH, Reino Unido

A. carpintero de barcos

Departamento de Química, Física e Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Queensland (QUT), 2 George St, Brisbane, 4000, Queensland, Australia

S. Hughes y J. Barry

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AB realizó los experimentos y escribió el artículo. SH ayudó a revisar el artículo y escribió la sección de teoría entre las ecuaciones 3 y 4. JB ayudó a revisar el artículo y escribió la sección sobre tensión superficial y burbujas.

Los autores no declaran tener intereses financieros en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Boatwright, A., Hughes, S. y Barry, J. El límite de altura de un sifón. Representante científico 5, 16790 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16790

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Recibido: 03 de marzo de 2015

Aceptado: 14 de octubre de 2015

Publicado: 02 de diciembre de 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16790

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