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液滴爆炸現(xiàn)象:酒精蒸發(fā)引起的馬蘭戈尼流動現(xiàn)象影響參數(shù)(一)
來源:大學(xué)物理 瀏覽 454 次 發(fā)布時間:2025-03-28
2021年全國大學(xué)生物理學(xué)術(shù)競賽中提出了這樣一個探究性問題:當(dāng)一滴水混合物(例如水~乙醇)放置在疏水性液體(例如植物油)的表面時,所產(chǎn)生的液滴有時會碎成更小的液滴。研究影響碎裂和最終液滴大小的參數(shù)。這種通過添加可混合溶液來調(diào)節(jié)水的潤濕性的方法通常用于涉及界面的各種工業(yè)過程中。本文通過實驗研究了沉積在疏水性液體表面的水滴和揮發(fā)性酒精的物理演變過程。發(fā)現(xiàn)酒精蒸發(fā)引起的馬蘭戈尼流動在整個現(xiàn)象中起著關(guān)鍵作用,并從液滴擴散半徑、液滴爆炸持續(xù)時間兩個維度來衡量碎裂現(xiàn)象,理論分析找出影響該現(xiàn)象的相關(guān)參數(shù),實驗驗證相關(guān)參數(shù)影響碎裂和最終液滴大小的關(guān)系。其中流體力學(xué)、潤濕和蒸發(fā)的復(fù)雜耦合被很好地捕捉到。本文也得到了涉及其他液體組合的實驗的證實,這些液體組合也很好地滿足了上述現(xiàn)象及結(jié)論。
1預(yù)實驗
1.1實驗裝置
為了還原物理現(xiàn)象,初步探究液滴爆炸的原因,本文首先進行了預(yù)實驗。實驗中所用到的物品包括:醫(yī)用75%酒精和蒸餾水混合形成水混合物液滴,家用菜籽油用作油池,普通藍(lán)墨水染色。在室溫環(huán)境下進行實驗,預(yù)實驗中發(fā)現(xiàn)普通藍(lán)墨水染色現(xiàn)象不明顯,改進為采用甲基藍(lán)染色劑進行染色。正式實驗時準(zhǔn)備了不同種類的水混合物(乙醇、二乙二醇丁醚),不同種類的疏水性物質(zhì)(硅油、花生油、蓖麻油),不同厚度的疏水性物質(zhì)(5 mm、10 mm),設(shè)置合適的濃度梯度,采用恒溫水浴鍋來測定溫度。在顯微鏡下觀察液滴的運動過程,精準(zhǔn)測定液滴大小,利用注射器定量控制滴入液滴的體積,再利用黏度計測量黏性系數(shù),并對實驗誤差進行了修正。
1.2實驗現(xiàn)象
觀察實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)液滴爆炸分為三個階段。階段一:考慮到物質(zhì)的相關(guān)基團的化學(xué)性質(zhì),混合液滴受到張力梯度的驅(qū)動在油面上擴張。乙醇的蒸發(fā)改變了擴散邊緣附近的混合物的浸濕特性,結(jié)合油層的黏滯效應(yīng),擴張迅速地停止。階段二:緊接著由于乙醇蒸發(fā)的不均勻性,邊緣處的液滴呈現(xiàn)出局部聚集的態(tài)勢,產(chǎn)生類似于“液滴噴發(fā)”的現(xiàn)象。在該過程中液滴中部較厚的部分不斷向邊緣輸送液體,因此會穩(wěn)定地持續(xù)一段時間。階段三:隨著液滴爆炸進入尾聲,液滴的噴發(fā)的邊緣會快速地縮小。
2理論分析
2.1分子結(jié)構(gòu)
液滴爆炸現(xiàn)象的第一個階段混合液滴在疏水性物質(zhì)上先擴散后停止,為解釋這一階段,先從分子結(jié)構(gòu)入手。乙醇是一種弱極性分子,乙醇中的羥基親水,烴基親油。宏觀上乙醇在油表面的接觸角小于90°,因此乙醇可以在油表面擴散,也就是說當(dāng)混合液體中酒精濃度超過某一閾值,液滴擴散。當(dāng)酒精蒸發(fā)時,液滴外圍變得富含水,外圍局部酒精濃度小于閾值,擴散停止。
圖1實驗裝置實物圖
圖2分子結(jié)構(gòu)
圖3受力分析
2.2表面張力
液滴爆炸現(xiàn)象的第二階段邊緣處的液滴產(chǎn)生液滴噴發(fā)現(xiàn)象,在該過程中液滴中部較厚的部分不斷向邊緣輸送液體,因此會穩(wěn)定持續(xù)一段時間。為解釋這一階段,先從表面張力入手,因為接觸角的不同,水對油的表面張力大于乙醇對油的表面張力,則混合液體對油層的界面張力介于水和乙醇之間?;旌弦旱沃幸掖嫉谋壤酱螅旌弦后w對油層的界面張力越小,受到向內(nèi)的張力減小,這樣整體向外的張力增大,這是產(chǎn)生向外推動的驅(qū)動力的重要原因??梢娊缑鎻埩χ苯記Q定了液滴在界面上的擴散和運動。