Эффект Марангони

Эффект Марангони (также называемый эффектом Гиббса-Марангони ) представляет собой перенос массы вдоль границы раздела двух жидкостей из-за градиента поверхностного натяжения . В случае зависимости от температуры это явление можно назвать термокапиллярной конвекцией ^[1] (или конвекцией Бенара–Марангони ). ^[2]

Это явление было впервые выявлено в так называемых « винных слезах » физиком Джеймсом Томсоном ( братом лорда Кельвина ) в 1855 году . ^[3] Общий эффект назван в честь итальянского физика Карло Марангони , изучавшего его для своей докторской диссертации . в Павийском университете и опубликовал свои результаты в 1865 г. ^[4] Полное теоретическое рассмотрение предмета было дано Дж. Уиллардом Гиббсом в его работе «О равновесии гетерогенных веществ » (1875–1878). ^[5]

Поскольку жидкость с высоким поверхностным натяжением сильнее притягивает окружающую жидкость, чем жидкость с низким поверхностным натяжением, наличие градиента поверхностного натяжения, естественно, заставит жидкость течь из областей с низким поверхностным натяжением. Градиент поверхностного натяжения может быть вызван градиентом концентрации или температурным градиентом (поверхностное натяжение зависит от температуры).

В простых случаях скорость потока , где - разность поверхностного натяжения и - вязкость жидкости. Вода имеет поверхностное натяжение около 0,07 Н/м и вязкость около ^10-3 Па·с при комнатной температуре. Таким образом, даже вариации поверхностного натяжения воды в несколько процентов могут генерировать потоки Марангони со скоростью почти 1 м/с. Таким образом, потоки Марангони обычны и легко наблюдаемы.${\ Displaystyle и \ приблизительно \ Дельта \ гамма / \ му}$${\ Displaystyle \ Дельта \ гамма}$${\ Displaystyle \ му}$

Для случая падения небольшой капли ПАВ на поверхность воды Роше с сотрудниками ^[6] провели количественные эксперименты и разработали простую модель, которая примерно соответствовала экспериментам. Это описывает расширение по радиусу участка поверхности, покрытого поверхностно-активным веществом, из-за направленного наружу потока Марангони со скоростью . Они обнаружили, что скорость расширения покрытого поверхностно-активным веществом участка водной поверхности составляет примерно${\ Displaystyle г}$${\ Displaystyle ты}$

для поверхностного натяжения воды , (нижнее) поверхностное натяжение поверхности воды, покрытой поверхностно-активным веществом, вязкость воды и массовая плотность воды. Для Н/м, т.е. уменьшения поверхностного натяжения воды порядка десятков процентов, а что касается воды Н м ^-6 с ³ , мы получаем второе вышеприведенное равенство. Это дает скорости, которые уменьшаются по мере роста области, покрытой поверхностно-активным веществом, но находятся в диапазоне от см/с до мм/с.${\ Displaystyle \ гамма _ {\ гт {ш}}}$${\ displaystyle \ gamma _ {\ rm {s}}}$${\ Displaystyle \ му}$${\ Displaystyle \ ро}$${\ displaystyle (\ gamma _ {\ rm {w}} - \ gamma _ {\ rm {s}}) \ приблизительно 10 ^ {- 2}}$${\ Displaystyle (\ му \ ро) \ сим 1}$

Воспроизвести медиа

Экспериментальная демонстрация эффекта Марангони. На поверхность воды в левой посуде высыпается перец; когда в эту воду добавляется капля мыла, крупинки перца быстро расходятся наружу.

Слезы вина отчетливо видны в тени этого бокала с содержанием алкоголя 13,5%.