Marangoni-effektus

A folyadékmechanikában a Marangoni-effektus ( Carlo Marangoni  (en) olasz fizikus neve ) az anyag jelenségeit az interfész mentén szállítja, válaszul a felületi feszültség gradiensére . Ez a hatás egyedül felelős a jelenség bor könnyek , a közhiedelemmel ellentétben, amely kiegyenlíti ezeket a „láb” (vagy könnyek) magas tartalma glicerin .

Történelem

Ezt a jelenséget először vizsgálták könnyek bor fizikus James Thomson , Lord Kelvin testvére , 1855-ben Az általánosabb értelemben névadója az olasz fizikus Carlo Marangoni tanult közben tézisét a University of Pavia és közzétette eredményeit 1865-ben 1878-ban teljes elméleti kezelést nyújtott Willard Gibbs a heterogén anyagok egyensúlya című munkájában .

Gépezet

Mivel egy nagy felületi feszültségű folyadék erősebben húzza körülötte a folyadékot, mint a kis feszültségű folyadék, a felületi feszültség gradiens jelenléte természetesen arra kényszeríti a folyadékot, hogy a kis feszültségű területekről a nagy felületi feszültségű területekre áramoljon. Ezt a gradienst okozhatja koncentrációs gradiens vagy hőmérsékleti gradiens (a felületi feszültség a hőmérséklettől függően).

Például, a bor is mutatnak látható hatása úgynevezett könnyek bor , amint az a fényképen. Ez a hatás annak köszönhető, hogy az alkohol felületi feszültsége kisebb, mint a vízé. Ha az alkoholt inhomogén módon keverjük össze a vízzel, akkor egy alacsony alkoholkoncentrációjú (ezért nagyobb felületi feszültségű) régió erősebben húzza a folyadékot, mint egy olyan terület, ahol az alkohol koncentráltabb, annyira, hogy a folyadék hajlamos legyen hogy az alacsony alkohol-koncentrációjú régiók felé áramoljon. Ez azt is bizonyíthatja, hogy vízfóliát öntött sima felületre, mielőtt egy csepp alkoholt a film közepére helyezett volna; a folyadék ekkor "elmenekül" abból a régióból, ahol az alkoholcsepp esett.

A Marangoni szám , egy dimenzió nélküli mennyiség, használható a felületi feszültség és a viszkózus erők relatív hatásainak jellemzésére.

E hatás mélyreható matematikai kezelése a Navier-Stokes-egyenletek és a termodinamika szempontjából megtalálható Subrahmanyan Chandrasekhar 1961-ben publikált munkájában  : Hidrodinamikai és hidromágneses stabilitás .

Használat közlekedési jelenségekben

Normál körülmények között a gravitáció következtében fellépő konvekciós hatások a folyadék-folyadék határfelület mentén hőmérséklet-gradienssel rendelkező rendszerben általában sokkal nagyobbak, mint a Marangoni-effektus. Számos kísérletet ( ESA MASER 1-3) hajtottak végre mikrogravitációs körülmények között annak érdekében, hogy megfigyeljék a Marangoni-hatást a gravitáció hatása nélkül.

A Marangoni-hatás hőátadásra gyakorolt ​​hatását gázbuborékok jelenlétében a fűtőfelületen (pl. Magképzésben (túlhűtött nukleátforralás)) régóta figyelmen kívül hagyják, de ez a kutatás tárgya. a hőátadás alapvető ismerete a forrás alatt.

Példák és alkalmazások

Ismert példa a szappanfilm: a Marangoni-hatás stabilizálja a szappan végét. A Marangoni-effektus másik megjelenése megtalálható a konvekciós sejtek viselkedésében  : a híres Bénard-sejtek .

A Marangoni-effektus fontos alkalmazása a szilícium ostyák szárítása nedvesítési lépés után az integrált áramkörök gyártása során . Az ostyán maradt folyadékcseppek oxidációt okozhatnak, ami károsíthatja az elektronikus alkatrészeket. A szennyeződés elkerülése érdekében egy alkoholgőzt (vagy más szerves vegyületet) fúvókán keresztül fújnak az ostya felületére, és az ebből eredő Marangoni-hatás felületi feszültség-gradienst okoz a folyadékban. Lehetővé téve a gravitációnak a folyadék könnyebb eltávolítását a felületről, tökéletesen száraz felületet hagyva.

Hasonló jelenséget ügyesen alkalmaztak a nanorészecskék rendezett önszereléséhez. A nanorészecskéket tartalmazó alkohol szubsztrátra kerül, amelyet nedves levegő áramlásának tesznek ki. Az alkohol áramlás alatt elpárolog, miközben a víz mikrocseppekben kondenzálódik a hordozón. Ez idő alatt az alkohol nanorészecskék a mikrocseppekbe kerülnek, és szárítás után számos gyűrűt képeznek a hordozón.

A Marangoni-hatás a forrasztás és a kristálynövekedés területén is fontos .

Hivatkozások

(fr) Ez a cikk részben vagy egészben venni a Wikipedia cikket angolul című „  Marangoni hatás  ” ( lásd a szerzők listáját ) .
  1. James Thomson (1855) "A bor és más alkoholos italok felületén megfigyelhető bizonyos kíváncsi  mozgásokról ", Philosophical Magazine , 10 : 330-333.
  2. Josiah Willard Gibbs (1878) "A heterogén anyagok egyensúlyáról. II. Rész," A Connecticuti Művészeti és Tudományos Akadémia tranzakciói , 3  : 343-524. A két fázis közötti felület létrehozásához szükséges energia egyenlete a 483. oldalon jelenik meg . Újranyomva: Josiah Willard Gibbs, Henry Andrews Bumstead és Ralph Gibbs van Name, szerk., The Willow Gibbs Scientific Papers, ... , vol. 1, (New York, New York: Longmans, Green and Co., 1906), 315. oldal .
  3. https://www.amazon.ca/dp/048664071X
  4. Sanja Petrovic, Tony Robinson és Ross L. Judd, "Marangoni hőátadás alhűtött nukleáris medence forrásban", International Journal of Heat and Mass Transfer, 47. évfolyam, 23. szám, 2004. november, 5115–5128. (absztrakt)
  5. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja801438u

Kapcsolódó cikkek

Külső linkek