Ефект Марангоні

Ефект Марангоні - Гіббса

Ефект Марангоні(або як його ще називають Марангоні - Гіббса) являє собою явище переносу речовини вздовж кордону розділу двох середовищ, що виникає внаслідок наявності градієнта поверхневого натягу. Такий різновид конвекції називається капілярною або конвекцією Марангоні.

Рис. 1 Ефект Марангоні чітко видно на бокалі

Термінологія

Термін «сльози вина» був вперше введений в 1855 році фізиком Джеймсом Томсоном, братом лорда Кельвіна. Пізніше італійський фізик Карло Марангоні присвятив вивченню даної проблеми свою дисертацію, а в 1865 році опублікував результати своїх спостережень. Повний теоретичний опис ефекту Марангони на основі рівнянь Нав'є - Стокса і рівнянь термодинаміки опубліковано Субраманьяном Чандрасекара в 1961 році.

Механізм явища

Виникнення градієнта поверхневого натягу може бути викликано градієнтом концентрації або градієнтом температури. В останньому випадку крім ефекту Марангоні має місце ефект Бенара. Така конвекція носить назву термокапіллярної (конвекція Бенара - Марангоні). Чим більше у рідини поверхневий натяг, тим з більшою силою вона стягується. Отже, за наявності градієнта поверхневого натягу рідина буде переміщатися в область з великим коефіцієнтом поверхневого натягу. Але у більшості випадків ефект Марангоні незначний, оскільки зазвичай він перекривається конвекцією рідини під дією сили тяжіння уздовж градієнта щільності.

Рис. 2. Завдяки градієнту поверхневого натягу, яке виникає між міниском і плоскою поверхнею вина утворюються «Сльози вина»

"Сльози вина"

«Сльози вина» є найбільш відомим проявом ефекта Марангоні. Пояснюється це тим, що етанол має більш низький, ніж у води, поверхневий натяг. Якщо спирт змішується з водою неоднорідно, то область з меншою концентрацією алкоголю матиме більший коефіцієнт поверхневого натягу і стягує навколишню рідину сильніше, ніж область з більш високою концентрацією спирту. Як наслідок така суміш має тенденцію перетікати в ділянки, де концентрація алкоголю менша. Такою ділянкою є меніск біля стінки келиха, де випаровування найбільш інтенсивне. Тоді у дію вступає сила тяжіння і "сльози вина" починають котитися по стінках келиха назад, повертаючись в рідину.

Рис. 3 «Сльози вина» чітко видно на тіні

Число Марангоні

Число Марангоні – це безрозмірна величина, що характеризує можливість виникнення в рідині конвективних рухів в результаті термокапіллярного механізму , що являє собою зміну поверхневого натягу з причини нерівномірного нагрівання) В якості аналога числа Марангоні для термогравітаціонного механізму конвекції (механізм Релея) є число Релея.

[math]{{\rm M}_a} = - \frac{{d\gamma }}{{d{\rm T}}}\frac{{L\Delta {\rm T}}}{{\eta a}}[/math]

[math]\gamma [/math]: поверхневий натяг, (в СІ: N / м);

L: характерна довжина, (в СІ: м);

[math]a[/math]: температуропроводность, (в СІ: м 2 / с);

[math]\eta [/math]: динамічний в'язкості (в СІ: кг / (с · м));

[math]{\Delta {\rm T}}[/math]: температурна різниця, (в СІ: K).

Приклади застосування

Ефект Марангоні сприяє стабілізації мильних плівок. Іншим прикладом є його поява в поведінці конвективних осередків, так званих Бенардо клітин. Ефект Марангоні знайшов своє широко застосовання в сушіння кремнієвих пластин після вологої стадії обробки в процесі виробництва інтегральних схем. Рідкі плями, залишені на поверхні пластини можуть спричинити окислення, що понесе за собою пошкодження компонентів пластини. Для запобігання утворенню плям, пари спирту або інші органічні сполуки, в газі, парі або аерозольній формі продуваються через сопло над мокрою поверхнею пластини. В подальшому ефект Марангоні викликає градієнт поверхневого натягу в рідині, що дозволяє силі тяжіння більш легко витягнути рідину повністю з поверхні пластини,при цьому, залишаючи саму ж поверхню пластини сухою. Ефект Марангоні також використовується в галузі зварювання, росту кристалів і електронно-променевої плавки металів.

Література

J. Thomson On certain curious motions observable on the surfaces of wine and other alcoholic liquours (англ.) // Philosophical Magazine. — 1855. — Vol. 10. — P. 330.

C. Marangoni Sull'espansione delle goccie di un liquido galleggiante sulla superficie di altro liquido (итал.). — 1865. Ригамонти А., Варламов А., Буздин А. Разговоры физиков за бокалом вина // Квант. — 2005. — № 1. — С. 2—7.

https://en.wikipedia.org/wiki/Marangoni_effect