Efectul Gibbs - Marangoni

Efectul Gibbs - Marangoni

Definit in sens restrans, efectul Gibbs - Marangoni consta in aparitia instabilitatilor interfaciale, ca urmare a unor variatii ale tensiunii interfaciale.

In sens mai larg, el poate fi definit ca avand drept cauza aparitia fluctuatiilor in sisteme bifazice. Aceste fluctuatii apar ca urmare a unui transfer de masa difuzional, prin adsorbtie/desorbtie, datorita unor variatii de temperatura, ca urmare a unor efecte electrice produse de specii ionice existente in sistem sau datorita unor constrangeri mecanice, eventual si a unor reactii care au loc la interfata.

Din cele aratate mai sus se poate observa ca variatiile de tensiune interfaciala datorate unui efect termic pot fi tratate in cadrul efectului Bénard. De asemenea, daca se inverseaza actiunea cu reactiunea se pot obtine instabilitati interfaciale si in sistemele in care efortul de forfecare este variat prin impunerea unei anumite hidrodinamici a sistemului. Se obtin variatii ale tensiunii superficiale observabile mai ales, in sistemele in care sunt prezente substante superficial - active.

Privit din acest punct de vedere si efectul Linde devine un caz particular al efectului Marangoni. Instabilitatile interfaciale se produc numai in conditii de neechilibru.

Caracterul neliniar al fenomenelor responsabile de aparitia instabilitatilor interfaciale este corelat direct cu posibilitatile de cuplare ale proceselor mecanice, electrice, chimice sau termice prin intermediul proprietatilor fizico - chimice locale ale interfetei.

O analiza completa a instabilitatilor interfaciale ca structuri disipative in sisteme bi-fazice aflate la ne-echilibru este greu de facut. Cu toate acestea se pot distinge mai multe tipuri de comportari ale interfetei in regim de instabilitate (Linde, 1984):

Cel mai des intalnite sunt celule convective de curgere intre cele doua faze nemiscibile (figura 1.27). Astfel de celule apar datorita convectiei interfaciale, care se manifesta in antrenarea in curgere a unor straturi din vecinatatea interfetei in ambele faze. In astfel de sisteme pot apare unitati de curgere, care se comporta sau nu ca unde clasice.

Aparitia unor modele spatiale cum ar fi benzi paralele, structuri concentrice circulare sau spirale, structuri poligonale sau alte structuri inalt ordonate dupa cum se observa in figura 1.28.

Aparitia unor structuri cu retele poligonale regulate sau structuri dezordonate cu poligoane de forme neregulate ca si aparitia unor oscilatii armonice sau haotice.

Dupa cum se poate constata din aceasta simpla enumerare a tipurilor de comportari ale interfetei in regim de instabilitate, exista o ierarhie a tipurilor de instabilitati de la cele mai simple pana la cele mai complicate.

Unele tipuri de comportari pot fi prezise de teoria stabilitatii liniare si au fost deja observate in sisteme reale (cum ar fi oscilatiile de tip unda). Celelalte reprezinta tranzitii spre alte nivele de autoorganizare, bifurcatii de ordin superior mergand pana la haos. Parametrul de bifurcatie pentru aceste sisteme poate fi chiar numarul Marangoni. Cresterea sa duce la aparitia unor noi tipuri de instabilitati interfaciale.

Rezultatele experimentale, existente la ora actuala, sunt in buna concordanta cu prevederile teoriei de stabilitate, simularile pe calculator apropiindu-se suficient de bine de realitatea experimentala.

Fig. 1.27 Unitate de baza in curgere (Linde, 1984)

O descriere a instabilitatilor interfaciale trebuie sa ia in considerare urmatoarele aspecte: trasaturi cinetice, trasaturi de ordine - dezordine si fortele motoare ale fenomenelor de instabilitate interfaciala (Linde, 1984). Dificultatea clasificarilor provine si din marea diversitate de manifestare a acestor fenomene care pot apare in sisteme cu diverse geometrii: interfete plane (Linde, 1984) sau sferice (Sorensen, 1980), in fluide in repaos sau in curgere (Spekuljak, 1987; Andritsos si Hanrathy, 1987). Instabilitatile interfaciale se manifesta atat ca unde capilare cat si ca autounde sau ca emulsificari spontane.

Interesul pentru fenomenele de turbulenta interfaciala se mentine constant, deoarece pe de o parte reprezinta o provocare pentru cercetatori, iar pe de alta parte reprezinta o modalitate de intensificare a fenomenelor de transfer.

Fig. 1.28 Modele spatiale ale instabilitatilor interfaciale ( Linde, 1984)

a) despicarea si unirea benzilor

b) capete libere ale unor benzi formate

c) benzi circulare concentrice

d) benzi spirale cu un singur brat

e) benzi spirale cu doua brate

f) structuri poligonale din celule rotitoare