2.3馬蘭戈尼效應(yīng)

馬蘭戈尼效應(yīng)是指由于表面張力不同的二種液體的界面存在表面張力梯度而使質(zhì)量傳送的現(xiàn)象。出現(xiàn)馬蘭戈尼效應(yīng)的原因是表面張力大的液體對(duì)其周?chē)砻鎻埩π〉囊后w的拉力強(qiáng)，產(chǎn)生表面張力梯度；使液體從表面張力低的方向向表面張力高的方向流動(dòng)。此時(shí)引入馬蘭戈尼效應(yīng)，就是對(duì)前文所說(shuō)理論的一個(gè)形象簡(jiǎn)潔的概括。當(dāng)酒精濃度超過(guò)某一閾值，液滴擴(kuò)散。酒精蒸發(fā)液滴外圍較薄的區(qū)域變得富含水，當(dāng)外圍局部濃度小于閾值，擴(kuò)散停止?？臻g上不均勻的混合物濃度產(chǎn)生沿液滴半徑的表面張力梯度，它們將溶質(zhì)從油滴中心向外驅(qū)動(dòng)。蒸發(fā)優(yōu)先消耗位于邊緣附近的液滴最薄部分的酒精，而乙醇含量的變化導(dǎo)致朝向液滴邊緣的界面張力增加。這些梯度會(huì)在混合空氣和混合油界面處產(chǎn)生馬蘭戈尼切向應(yīng)力，從而驅(qū)動(dòng)從液滴中心到外圍的徑向流動(dòng)。液滴邊緣脫濕和向外的馬蘭戈尼流動(dòng)效應(yīng)的結(jié)合導(dǎo)致液滴的外圍形成較厚的邊緣，從而變得不穩(wěn)定，分裂成無(wú)數(shù)的小液滴，產(chǎn)生液滴爆炸的物理現(xiàn)象。馬蘭戈尼效應(yīng)示意圖如圖4所示，黑箭頭代表蒸發(fā)量和厚度的徑向減小，灰色箭頭代表液滴中馬蘭戈尼應(yīng)力與油層中的黏性應(yīng)力平衡，導(dǎo)致大量流動(dòng)。h（r,t）是液滴的厚度剖面，R（t）是中心液滴的半徑，H是油面厚度。

圖4馬蘭戈尼效應(yīng)理論分析

2.4擴(kuò)散系數(shù)

乙醇的初始濃度是本實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中我們觀察到當(dāng)乙醇初始濃度φ0大于一臨界濃度φc時(shí)，液滴出現(xiàn)不穩(wěn)定性。為了解釋不穩(wěn)定性的發(fā)生，本文測(cè)量了相應(yīng)油~空氣、混合空氣和混合油界面的界面張力γoa、γma和γmo.圖5顯示了油~空氣、混合物~空氣和混合物~油界面的表面張力隨乙醇濃度的變化。油~空氣的界面張力γoa不變，混合物~空氣界面張力γma和混合物~油的界面張力γmo隨液滴中乙醇含量增大而減小。定義擴(kuò)散參數(shù)S=γoa-γma-γmo.當(dāng)擴(kuò)散參數(shù)為正值時(shí)，液滴會(huì)擴(kuò)散到油（疏水性液體）上，發(fā)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)與液滴不穩(wěn)定性的開(kāi)始一致。隨著乙醇初始含量φ0增大，S會(huì)逐漸增大，存在一個(gè)臨界乙醇含量φc,且φc處S=0,因此可認(rèn)為：只有乙醇的初始含量大于φc時(shí)，才會(huì)發(fā)生“液滴爆炸”現(xiàn)象。

圖5油~空氣、混合物~空氣和混合物、油界面的表面張力隨乙醇濃度的變化

2.5理論推導(dǎo)

3進(jìn)一步的探究

這些結(jié)論也為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探究指明了變量選擇方向。液滴碎裂是一個(gè)抽象的物理現(xiàn)象，本文將從液滴擴(kuò)散半徑，液滴爆炸持續(xù)時(shí)間兩個(gè)維度來(lái)衡量碎裂現(xiàn)象，所以研究影響碎裂的參數(shù)，具體來(lái)說(shuō)就是研究參數(shù)對(duì)擴(kuò)散半徑、爆炸時(shí)間的影響。

根據(jù)前文理論分析的結(jié)論將研究參數(shù)選定為：水混合物種類(lèi)（乙醇分子結(jié)構(gòu)）、濃度；疏水性物質(zhì)種類(lèi)（黏度）、厚度；滴入液滴體積、溫度。

3.1探究液滴擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程

實(shí)驗(yàn)1探究液滴擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程就是將前文用文字性描述的液滴擴(kuò)散現(xiàn)象定量處理，用數(shù)據(jù)清晰的看出液滴爆炸過(guò)程中擴(kuò)散半徑隨時(shí)間的變化，如圖6所示，可以從折線(xiàn)圖中直觀看出液滴爆炸的三個(gè)過(guò)程。

圖6液滴擴(kuò)散的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程

3.2探究乙醇濃度對(duì)碎裂現(xiàn)象的影響

實(shí)驗(yàn)二探究乙醇濃度對(duì)碎裂現(xiàn)象的影響，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用蒸餾水與乙醇比例分別為1∶2、1∶3、1∶4、1∶5的混合溶液，將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，隨著乙醇濃度增加，液滴爆炸時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，最大擴(kuò)散半徑會(huì)增大。

3.3探究影響最終液滴大小的參數(shù)

實(shí)驗(yàn)三探究影響最終液滴大小的參數(shù)，這里以75%乙醇濃度為例，說(shuō)明測(cè)量碎裂液滴大小的方法。觀察多個(gè)視野，將視野內(nèi)的液滴劃分為四類(lèi)，顯微鏡下觀察到的液滴通過(guò)三點(diǎn)共圓確定液滴半徑，并測(cè)出各自半徑R（單位mm）隨機(jī)選取中部3個(gè)面積相同（A=πr2=2 mm2）的典型視野，統(tǒng)計(jì)各個(gè)視野中不同大小的液滴數(shù)量。最終加權(quán)求平均得到R平均=0.0743 mm=74.3μm.

表1不同視野中統(tǒng)計(jì)的液滴數(shù)量

將數(shù)據(jù)可視化得出結(jié)論：在臨界濃度以上，隨著乙醇初始含量增加，最終小液滴的半徑會(huì)減小，當(dāng)乙醇濃度為90%及以上時(shí)最終液滴半徑小于10μm.