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理解马兰戈尼效应[size=1.125em]当两相界面存在表面张力梯度时,便会发生马兰戈尼效应。这种现象多发生于气液界面,当溶质浓度、表面活性剂浓度以及沿界面的温度发生变化时,表面张力通常也会随着改变。 [size=1.125em]在某些共晶或多组分液体中,通过改变表面的溶质浓度或添加表面活性剂,可以改变与界面相切的表面张力梯度的方向,有的流体还可能产生相当强烈的对流运动。这会在表面产生剪切应力,类似于风产生的作用力。 [size=1.125em]当表面张力的变化由浓度驱动时,马兰戈尼效应也常常被称为溶质毛细效应;而当表面张力随温度发生变化时,常常被称为热毛细效应。这两种毛细效应可能会同时发生。 受热的自由表面仿真。图中显示等温线、速度箭头和流线,描绘了流体向外部冷边界的运动情况。本例描述具有温度依赖性的热毛细效应。
马兰戈尼效应 vs. 毛细效应[size=1.125em]需要注意的是,我们可能很容易将马兰戈尼效应与纯毛细效应 相混淆。毛细力会使界面呈弯月形,也就是水滴的形状。小液滴的标准大小取决于表面张力 和静水压力 之间的平衡。 的大小称为毛细管长度,可通过下式计算得到:
[size=1.125em]其中, 是表面张力(单位为 N/m), 是形成液滴的流体密度(单位为 kg/m3), 是重力(单位为 m2/s)。 [size=1.125em]水在 20°C 时的 = 72.8e-3 N/m,因此,水的毛细管长度在 2 到 3 毫米范围内。这样一来,就可以准确地估算出桌面上一个静止水滴的直径。如果超过这个尺度,重力会变得越来越占主导地位。而低于这个尺度时,毛细力则通常比重力作用大得多。对等温系统而言,上述理论都是成立的。 [size=1.125em]然而,当存在弯液面并且溶质从液体表面蒸发(例如水溶液中的酒精)时,可能会沿液体表面形成浓度梯度。形成梯度的原因在于,与弯液面相比,溶质在平面上的蒸发速度更快,因为溶液内部的溶质更容易运移到平的表面。这样一来,毛细效应与马兰戈尼效应就关联在一起。 由于酒精从溶液本体向平坦表面与弯液面的传质速率存在差异,因此会产生酒精浓度梯度,进而产生表面张力梯度,于是就形成了酒泪。
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