2.3馬蘭戈尼效應

馬蘭戈尼效應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)量傳送的現象。出現馬蘭戈尼效應的原因是表面張力大的液體對其周?chē)砻鎻埩π〉囊后w的拉力強，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，就是對前文所說(shuō)理論的一個(gè)形象簡(jiǎn)潔的概括。當酒精濃度超過(guò)某一閾值，液滴擴散。酒精蒸發(fā)液滴外圍較薄的區域變得富含水，當外圍局部濃度小于閾值，擴散停止?？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)生馬蘭戈尼切向應力，從而驅動(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)效應的結合導致液滴的外圍形成較厚的邊緣，從而變得不穩定，分裂成無(wú)數的小液滴，產(chǎn)生液滴爆炸的物理現象。馬蘭戈尼效應示意圖如圖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力與油層中的黏性應力平衡，導致大量流動(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馬蘭戈尼效應理論分析

2.4擴散系數

乙醇的初始濃度是本實(shí)驗中的一個(gè)關(guān)鍵參數。在實(shí)驗中我們觀(guān)察到當乙醇初始濃度φ0大于一臨界濃度φc時(shí)，液滴出現不穩定性。為了解釋不穩定性的發(fā)生，本文測量了相應油~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。定義擴散參數S=γoa-γma-γmo.當擴散參數為正值時(shí)，液滴會(huì )擴散到油（疏水性液體）上，發(fā)現該標準與液滴不穩定性的開(kāi)始一致。隨著(zhù)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

3進(jìn)一步的探究

這些結論也為進(jìn)一步的實(shí)驗探究指明了變量選擇方向。液滴碎裂是一個(gè)抽象的物理現象，本文將從液滴擴散半徑，液滴爆炸持續時(shí)間兩個(gè)維度來(lái)衡量碎裂現象，所以研究影響碎裂的參數，具體來(lái)說(shuō)就是研究參數對擴散半徑、爆炸時(shí)間的影響。

根據前文理論分析的結論將研究參數選定為：水混合物種類(lèi)（乙醇分子結構）、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探究液滴擴散的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程

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

圖6液滴擴散的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程

3.2探究乙醇濃度對碎裂現象的影響

實(shí)驗二探究乙醇濃度對碎裂現象的影響，實(shí)驗時(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，將數據統計分析后發(fā)現，隨著(zhù)乙醇濃度增加，液滴爆炸時(shí)間會(huì )延長(cháng)，最大擴散半徑會(huì )增大。

3.3探究影響最終液滴大小的參數

實(shí)驗三探究影響最終液滴大小的參數，這里以75%乙醇濃度為例，說(shuō)明測量碎裂液滴大小的方法。觀(guān)察多個(gè)視野，將視野內的液滴劃分為四類(lèi)，顯微鏡下觀(guān)察到的液滴通過(guò)三點(diǎn)共圓確定液滴半徑，并測出各自半徑R（單位mm）隨機選取中部3個(gè)面積相同（A=πr2=2 mm2）的典型視野，統計各個(gè)視野中不同大小的液滴數量。最終加權求平均得到R平均=0.0743 mm=74.3μm.

表1不同視野中統計的液滴數量

將數據可視化得出結論：在臨界濃度以上，隨著(zhù)乙醇初始含量增加，最終小液滴的半徑會(huì )減小，當乙醇濃度為90%及以上時(shí)最終液滴半徑小于10μm.