1.2 界面现象与热毛细对流

1.2.1 界面现象

界面现象又称为表面现象，是指发生在气、液、固三相进行排列组合而成的相界面上的各种物理及化学过程所引起的现象。在人们的日常生活和生产活动中，随处可见界面现象的存在。例如，大自然中，早晚所见到的曙光和晚霞、雨后的彩虹和光环等；日常生活中，人们所用的肥皂和洗衣粉的去污过程；工业生产中的制盐和制糖，都是典型的界面现象。界面，是指物质相与相的分界面。界面具有气-液、气-固、液-液、液-固和固-固5种不同的形式，当组成界面的两相中有一相为气相时，常被称为表面。

表面张力，是由液体表面层分子引力不均衡而产生的，它沿表面作用于界面。表面张力的方向与界面相切，并与界面的任何两部分垂直。表面张力是指液体增加单位表面积所需的功，又称为表面自由能。清晨凝聚在叶片上的水滴、水龙头缓缓垂下的水滴，水黾能站在水面上，都是表面张力的作用。表面张力的大小仅与液体的性质和温度有关。一般情况下，温度越高，表面张力越小。

1.2.2 热毛细对流

热毛细对流又称Marangoni对流，它是由界面上的表面张力梯度引起的一种流动 ^[3] 。当界面存在温度梯度时，便形成表面张力梯度，表面张力梯度超过黏滞力，使液体流动，出现热毛细对流。此现象由Marangoni在1865年发现，故称为Marangoni对流。热毛细对流是一种与重力无关的自然对流，在具有自由表面的液体中，沿着液体表面存在表面张力梯度，就会发生Marangoni对流，不需要克服什么激活势垒，很小的温度梯度就足以使之开始流动，即使在太空环境——微重力环境中也依然存在，不会因重力场的消失而消失。热毛细对流是由外加温度差引起的，是更为广泛的一类流动体系，是微重力科学中的一类典型。

如图1.1所示，当左、右两壁面分别维持恒定温度T _h 和T _c 时（T _h >T _c ），在两相界面处有

其中，σ为表面张力，为温度T的函数，即靠近冷壁一端表面张力大，而靠近热壁一端表面张力小，于是在主流液体区域中出现了热毛细对流。