Несмотря на весьма длительную историю, изучение динамики испарения капель продолжает оставаться одной из задач, привлекающих пристальное внимание исследователей. Подобный интерес обусловлен множеством практических приложений, в которых испарение капель играет важную роль. В частности, такие явления, как охлаждение распылением, печать и покрытие тесно связаны с испарением сидячих капель на твердых поверхностях. Изучение испарения сидячих капель является задачей более сложной по сравнению с испарением свободных капель, имеющих сферическую форму. Форма сидячей капли, существенно влияющая на процесс ее испарения, определяется эффектами поверхностного натяжения и свойствами подложки, прежде всего, степенью ее гидрофобности. Капли малого размера, для которых незначительно влияние силы тяжести, имеют форму шарового сегмента (Рис.1). Обычно предполагается, что испарение происходит в режиме стационарной диффузии пара. Теория такого режима для однокомпонентной капли в форме шарового сегмента при изотермическом испарении была разработана в [1] с использованием полученного ранее аналитического решения сходной задачи электростатики [2]. В дальнейшем такой подход использовался многими авторами, в частности, в недавних работах [3,4] при рассмотрении испарения сидячей капли в условиях гистерезиса краевого угла. В работе [5] проведено сравнение теоретических предсказаний, полученных в рамках предположения о стационарности и изотермичности процессов, с результатами прямого эксперимента по наблюдению за изменением объема и краевого угла сидячей капли со временем. В этих работах рассматривались однокомпонентные капли, то есть капли чистой жидкости.
В данной работе в изотермическом приближении рассматривается задача об испарении бинарной капли, состоящей из двух жидкостей, способных смешиваться друг с другом в произвольной пропорции. Более конкретно - рассматривается капля водного раствора другой жидкости (спирт, кислота) в атмосфере воздуха с определенной влажностью. Состояние бинарной капли, в отличие от капли чистой жидкости, задается не только ее геометрическими параметрами, но и концентрацией раствора в капле, контролировать изменение которой в процессе испарения не представляется возможным. Этим обстоятельством значительно усложняется теоретическое описание, поскольку требуется тем или иным способом найти связь концентрации раствора в капле с измеряемыми ее характеристиками. В работе сформулирована система уравнений, в общем случае описывающая рассматриваемую ситуацию. В приближении идеального раствора получена в явном виде связь текущих значений концентрации раствора в капле с ее объемом. Показано при этом, что объем бинарной капли может, в отличие от однокомпонентного случая, немонотонно меняться с течением времени. При определенных условиях капля может вначале увеличиваться в объеме за счет конденсации водяного пара, переходя впоследствии в режим монотонного испарения.
В качестве конкретного примера в работе подробно рассмотрен процесс испарения капли водного раствора серной кислоты. Большое различие концентраций насыщенных паров кислоты и воды позволяет в данном случае построить описание без использования модели идеального раствора. Результаты, получаемые при этом в рамках стационарной изотермической теории, анализируются в сравнении с экспериментальными данными.
В работе в изотермическом приближении рассмотрена задача об испарении сидячей бинарной капли, состоящей из двух жидкостей, способных смешиваться друг с другом в произвольной пропорции. На основе известного решения задачи о стационарной диффузии пара в случае однокомпонентной капли в форме шарового сегмента сформулирована система уравнений, в общем случае описывающая испарении бинарной капли (уравнения (6) и (8)). В приближении идеального раствора получена в явном виде связь текущих значений концентрации раствора в капле с ее объемом (уравнение (20)). Показано при этом, что в процессе испарения объем бинарной капли может, в отличие от однокомпонентного случая, немонотонно меняться с течением времени (уравнение (16)). В качестве конкретного примера в работе подробно рассмотрен процесс испарения капли водного раствора серной кислоты. Результаты, получаемые при этом в рамках стационарной изотермической теории (уравнения (26) и (29)), проанализированы в сравнении с данными эксперимента. Показано, что наблюдаемое расхождение экспериментальных данных с выводами стационарной изотермической теории можно объяснить совместным влиянием тепловых эффектов и заметным различием текущих значений концентрации раствора на поверхности и в объеме капли.
