Ефект Марангоні
Ефект Марангоні (Марангоні - Гіббса) — явище переносу речовини уздовж межі розділу двох середовищ, що виникає внаслідок наявності градієнта поверхневого натягу. Рідина перетікає з області низького поверхневого натягу до області високого поверхневого натягу. У випадку температурної залежності це явище можна назвати термокапілярною конвекцією[1] (або конвекцією Бенара-Марангоні)[2].
| Ефект Марангоні | |
 «Сльози вина» чітко видно на тіні, що відкидається келихом | |
| Названо на честь | Карло Марангоніd |
|---|---|
| Досліджується в | термодинаміка |
Історія ред.
Це явище було вперше виявлено в 1855 році Джеймсом Томсоном (братом лорда Кельвіна) при дослідженні причин виникнення так званих «сліз вина»[3]. Загальний ефект названий на честь італійського фізика Карло Марангоні, який вивчав його для своєї докторської дисертації в Павійському університеті та опублікував свої результати в 1865 році[4]. Повну теоретичну розробку питання дав Джозая Віллард Гіббз у своїй праці «Про рівновагу гетерогенних речовин» (1875—1878)[5].
Механізм ред.
Оскільки рідина з високим поверхневим натягом тягне навколишню рідину сильніше, ніж рідина з низьким поверхневим натягом, наявність градієнта поверхневого натягу природним чином призводить до витоку рідини з областей низького поверхневого натягу. Градієнт поверхневого натягу може бути викликаний неоднорідним складом речовини або градієнтом температури.
У простих випадках швидкість потоку , де - різниця поверхневого натягу, а - в'язкість рідини. Вода при кімнатній температурі має поверхневий натяг близько 0,07 Н/м і в'язкість близько 10-3 Па с. Таким чином, навіть коливання поверхневого натягу води на кілька відсотків може спричинити потік Марангоні зі швидкістю майже 1 м/с. Таким чином, потоки Марангоні часто зустрічаються на практиці, і їх легко спостерігати.
Для випадку невеликої краплі поверхнево-активної речовини на поверхні води Роше та його співробітники[6] розробили просту модель, яка описує розширення в радіусі ділянки поверхні, вкритої поверхнево-активною речовиною, завдяки зовнішньому потоку Марангоні зі швидкістю . Вони виявили, що розширення вкритої поверхнево-активною речовиною ділянки поверхні води відбувається зі швидкістю приблизно
Тут - поверхневий натяг чистої води, - дещо менший поверхневий натяг води, вкритої поверхнево-активною речовиною, - в'язкість води, а - густина води. Типовими можуть бути значення Н/м, тобто зменшення поверхневого натягу води на десятки відсотків. Швидкість розтікання зменшується в міру збільшення області, вкритої поверхнево-активною речовиною, і становить від см/с до мм/с.
Безрозмірне число Марангоні можна використовувати для порівняння відносного впливу поверхневого натягу та сил в’язкості.
Див. також ред.
Джерела ред.
- ↑ Marangoni Convection. COMSOL. Архів оригіналу за 8 березня 2012. Процитовано 6 серпня 2014.
- ↑ Getling, A.V. (1998). Rayleigh-Bénard convection : structures and dynamics (вид. Reprint.). Singapore: World Scientific. ISBN 981-02-2657-8.
- ↑ J. Thomson. On certain curious motions observable on the surfaces of wine and other alcoholic liquours : [англ.] // Philosophical Magazine. — 1855. — Vol. 10. — С. 330.
- ↑ Sull'espansione delle goccie d'un liquido galleggianti sulla superficie di altro liquido [On the expansion of a droplet of a liquid floating on the surface of another liquid]. Pavia, Italy: Fratelli Fusi. 1869.
- ↑ Josiah Willard Gibbs (1878) "On the equilibrium of heterogeneous substances. Part II," Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Sciences, 3 : 343-524. The equation for the energy that's required to create a surface between two phases appears on page 483. Reprinted in: Josiah Willard Gibbs with Henry Andrews Bumstead and Ralph Gibbs van Name, ed.s, The Scientific Papers of J. Willard Gibbs, ..., vol. 1, (New York, New York: Longmans, Green and Co., 1906), page 315.
- ↑ Roché, Matthieu; Li, Zhenzhen; Griffiths, Ian M.; Le Roux, Sébastien; Cantat, Isabelle; Saint-Jalmes, Arnaud; Stone, Howard A. (20 травня 2014). Marangoni Flow of Soluble Amphiphiles. Physical Review Letters (англ.). 112 (20): 208302. arXiv:1312.3964. Bibcode:2014PhRvL.112t8302R. doi:10.1103/PhysRevLett.112.208302. ISSN 0031-9007.