Marangoniho efekt - Marangoni effect

Přehrávejte média

Experimentální ukázka Marangoniho efektu. Pepř se posype na povrch vody v levé misce; když se do té vody přidá kapka mýdla, skvrny pepře se rychle pohybují ven.

Marangoniho efekt (také volal Gibbs-Marangoniho efekt ) je přenos hmoty podél rozhraní mezi dvěma tekutinami v důsledku gradientu z povrchového napětí . V případě teplotní závislosti lze tomuto jevu říkat termokapilární konvekce (nebo Bénardova – Marangoniho konvekce ).

Dějiny

Tento jev poprvé identifikoval v takzvaných „ slzách vína “ fyzik James Thomson ( bratr lorda Kelvina ) v roce 1855. Obecný efekt je pojmenován podle italského fyzika Carla Marangoniho , který jej studoval kvůli doktorské práci na univerzitě z Pavie a publikoval jeho výsledky v roce 1865. Kompletní teoretické zpracování předmětu poskytl J. Willard Gibbs ve své práci O rovnováze heterogenních látek (1875-8).

Mechanismus

Protože kapalina s vysokým povrchovým napětím přitahuje silněji okolní kapalinu než kapalina s nízkým povrchovým napětím, přítomnost gradientu v povrchovém napětí přirozeně způsobí, že kapalina bude odtékat z oblastí s nízkým povrchovým napětím. Gradient povrchového napětí může být způsoben koncentračním gradientem nebo teplotním gradientem (povrchové napětí je funkcí teploty).

V jednoduchých případech je rychlost toku , kde je rozdíl v povrchovém napětí a je viskozita kapaliny. Voda má při pokojové teplotě povrchové napětí kolem 0,07 N/m a viskozitu přibližně 10 - ³ Pa s. I variace povrchového napětí vody o několik procent mohou tedy generovat Marangoniho toky téměř 1 m/s. Toky Marangoni jsou tedy běžné a snadno pozorovatelné. ${\ Displaystyle u \ cca \ Delta \ gamma /\ mu}$${\ displaystyle \ Delta \ gamma}$${\ Displaystyle \ mu}$

V případě malé kapky povrchově aktivní látky spadlé na povrch vody provedli Roché a spolupracovníci kvantitativní experimenty a vyvinuli jednoduchý model, který byl v přibližné shodě s experimenty. To popisovalo expanzi v poloměru plochy povrchu pokrytého povrchově aktivní látkou v důsledku vnějšího proudění Marangoniho rychlostí . Zjistili, že rychlost expanze povrchové vrstvy pokryté povrchově aktivní látkou vodní hladiny nastala rychlostí přibližně ${\ displaystyle r}$${\ displaystyle u}$

${\ Displaystyle u \ zhruba {\ frac {(\ gamma _ {\ rm {w}}-\ gamma _ {\ rm {s}})^{2/3}} {(\ mu \ rho)^{1 /3} r^{1/3}}} \ cca {\ frac {10^{-2}} {r^{1/3}}} ~~; ~~ (r ~~ {\ mbox {v m }})}$

pro povrchové napětí vody je (spodní) povrchové napětí vodní plochy pokryté povrchově aktivní látkou, viskozita vody a hmotnostní hustota vody. Pro N/m, tj. Řádově desítky procent snížení povrchového napětí vody, a pokud jde o vodu N m ⁻⁶ s ³ , získáme druhou rovnost výše. To dává rychlosti, které se snižují, jak oblast pokrytá povrchově aktivními látkami roste, ale řádově cms/s až mm/s. ${\ displaystyle \ gamma _ {\ rm {w}}}$${\ displaystyle \ gamma _ {\ rm {s}}}$${\ Displaystyle \ mu}$${\ Displaystyle \ rho}$${\ Displaystyle (\ gamma _ {\ rm {w}}-\ gamma _ {\ rm {s}}) \ cca 10^{-2}}$${\ Displaystyle (\ mu \ rho) \ sim 1}$

Rovnice se získá provedením několika jednoduchých aproximací, první je vyrovnáním napětí na povrchu v důsledku koncentračního gradientu povrchově aktivní látky (která řídí tok Marangoni) s viskózními napětími (která jsou proti toku). Marangoniho napětí , tj. Gradient povrchového napětí způsobený gradientem koncentrace povrchově aktivní látky (od vysokého ve středu expandující náplasti k nule daleko od náplasti). Viskózní smykové napětí je jednoduše viskozita krát gradient ve smykové rychlosti , pro hloubku do vody toku v důsledku šíření náplasti. Roche a spolupracovníci předpokládat, že hybnost (který je směrován radiálně) difunduje dolů do kapaliny, při šíření, a proto když se náplast dosáhne poloměr , pro v kinematické viskozity , což je difúzní konstanta pro hybnosti tekutiny. Vyrovnávání obou napětí ${\ Displaystyle \ sim (\ částečné \ gamma /\ částečné r)}$${\ Displaystyle \ sim \ mu (u/l)}$${\ Displaystyle l}$${\ displaystyle r}$${\ Displaystyle l \ sim (\ nu r/u)^{1/2}}$${\ Displaystyle \ nu = \ mu /\ rho}$

${\ Displaystyle u^{3/2} \ zhruba {\ frac {(\ nu r)^{1/2}} {\ mu}} \ left ({\ frac {\ částečné \ gamma} {\ částečné r} } \ vpravo) \ cca {\ frac {r^{1/2}} {(\ mu \ rho)^{1/2}}} {\ frac {\ gamma _ {\ rm {w}}-\ gamma _ {\ rm {s}}} {r}}}$

kde jsme aproximovali gradient . Vezmeme -li 2/3 síly obou stran, dostaneme výše uvedený výraz. ${\ Displaystyle (\ částečné \ gamma /\ částečné r) \ cca (\ gamma _ {\ rm {w}}-\ gamma _ {\ rm {s}}) /r}$

Číslo Marangoni , bezrozměrná hodnota, může být použit pro charakterizaci relativní účinky povrchového napětí a viskózních sil.

Velmi podrobné matematické zpracování tohoto z hlediska Navier -Stokesových rovnic a rovnic termodynamiky lze nalézt v první třetině knihy Subrahmanyana Chandrasekhara z roku 1961 Hydrodynamická a hydromagnetická stabilita.

Slzy vína

Slzy vína se jasně projevují ve stínu této sklenky vína s 13,5% obsahem alkoholu

Například víno může vykazovat viditelný efekt nazývaný „ slzy vína “. Tento účinek je důsledkem skutečnosti, že alkohol má nižší povrchové napětí a vyšší těkavost než voda. Roztok voda/alkohol stoupá vzhůru po povrchu skla a snižuje povrchovou energii skla. Alkohol se z filmu odpařuje a zanechává za sebou kapalinu s vyšším povrchovým napětím (více vody, méně alkoholu). Tato oblast s nižší koncentrací alkoholu (větší povrchové napětí) přitahuje okolní tekutinu silněji než oblasti s vyšší koncentrací alkoholu (nižší ve skle). Výsledkem je, že je kapalina natažena nahoru, dokud její vlastní hmotnost nepřesáhne sílu účinku, a kapalina kape zpět po stěnách nádoby. To lze také snadno demonstrovat rozetřením tenkého filmu vody na hladký povrch a poté nechat kapku alkoholu dopadnout na střed filmu. Kapalina bude spěchat z oblasti, kde kapka alkoholu spadla.

Význam pro transport jevů

V pozemských podmínkách je gravitační účinek způsobující přirozenou konvekci v systému s teplotním gradientem podél rozhraní tekutina/tekutina obvykle mnohem silnější než Marangoniho efekt. Mnoho experimentů ( ESA MASER 1-3) bylo provedeno za podmínek mikrogravitace na palubě sondážních raket, aby byl pozorován Marangoniho efekt bez vlivu gravitace. Výzkum tepelných trubek provedený na Mezinárodní vesmírné stanici ukázal, že zatímco tepelné trubky vystavené teplotnímu gradientu na Zemi způsobují, že se vnitřní tekutina na jednom konci odpaří a migruje podél potrubí, čímž vysuší horký konec ve vesmíru (kde účinky gravitaci lze ignorovat) stane se opak a horký konec potrubí je zaplaven kapalinou. Může za to Marangoniho efekt spolu s kapilární akcí . Kapalina je kapalinou nasávána na horký konec trubice. Většina kapaliny však stále končí jako kapička kousek od nejžhavější části trubice, což vysvětluje Marangoniho tok. Teplotní gradienty v axiálním a radiálním směru způsobují proudění tekutiny od horkého konce a stěn trubice směrem ke středové ose. Kapalina tvoří kapku s malou kontaktní plochou se stěnami trubice, tenkou fólií cirkulující kapalina mezi chladnější kapkou a kapalinou na horkém konci.

Vliv Marangoniho efektu na přenos tepla v přítomnosti plynových bublin na ohřívací ploše (např. Při podchlazeném varu nukleátů) byl dlouho ignorován, ale v současné době je tématem zájmu pokračujícího výzkumu, protože má potenciální zásadní význam pro porozumění přenosu tepla při varu.

Příklady a aplikace

Známý příklad je u mýdlových filmů : Marangoniho efekt stabilizuje mýdlové filmy. Další příklad Marangoniho efektu se objevuje v chování konvekčních buněk, takzvaných Bénardových buněk .

Jednou z důležitých aplikací Marangoniho efektu je použití k sušení křemíkových destiček po kroku mokrého zpracování během výroby integrovaných obvodů . Tekutá místa ponechaná na povrchu oplatky mohou způsobit oxidaci, která poškodí součásti na oplatce. Aby se zamezilo vzniku skvrn, je výpary alkoholu (IPA) nebo jiné organické sloučeniny ve formě plynu, páry nebo aerosolu vháněny tryskou přes mokrý povrch oplatky (nebo do menisku vytvořeného mezi čisticí kapalinou a oplatkou při zvedání oplatky z ponorná lázeň) a následný Marangoniho efekt způsobuje v kapalině gradient povrchového napětí, což umožňuje gravitaci snadněji úplně vytáhnout kapalinu z povrchu oplatky a efektivně zanechat suchý povrch oplatky.

Podobný jev byl kreativně využit k vlastnímu sestavování nanočástic do uspořádaných polí a k růstu uspořádaných nanotrubic. Nanočástice obsahující alkohol se rozprostřou na substrát a následně vhání vlhký vzduch na substrát. Alkohol se odpařuje pod proudem. Současně voda kondenzuje a vytváří na substrátu mikrokapky. Mezitím se nanočástice v alkoholu přenesou do mikrokapek a po sušení nakonec vytvoří na substrátu četné kávové prstence .

Další aplikací je manipulace s částicemi využívající relevance efektů povrchového napětí v malých měřítcích. Řízená termokapilární konvekce je vytvářena lokálním ohřevem rozhraní vzduch-voda pomocí infračerveného laseru . Poté se tento tok používá k ovládání plovoucích objektů v poloze i orientaci a může podnítit vlastní montáž plovoucích objektů, těžící z efektu Cheerios .

Marangoniho efekt je také důležitý v oblastech svařování , růstu krystalů a tavení kovů elektronovým paprskem .

Viz také

• Plateau – Rayleighova nestabilita - nestabilita v proudu kapaliny
• Difuzioosmóza - Marangoniho efekt je tok na rozhraní tekutina/tekutina v důsledku gradientu mezifázové volné energie, analogem na rozhraní tekutina/pevná látka je difuzioosmóza

Reference

externí odkazy

• Fyzický přehled motorického oleje kapky 22. února 2005
• Fyzika tenkého filmu , astronaut ISS Don Pettit . YouTube film.