Dynamics of sessile droplet evaporation

Abstract

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. В приближении идеального раствора получена в явном виде связь текущих значений концентрации раствора в капле с ее объемом Показано при этом, что в процессе испарения объем бинарной капли может, в отличие от однокомпонентного случая, немонотонно меняться с течением времени. В качестве конкретного примера в работе подробно рассмотрен процесс испарения капли водного раствора серной кислоты. Результаты, получаемые при этом в рамках стационарной изотермической теории, 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.

This work considers, within the isothermal approximation, the problem of evaporation of a sessile binary drop consisting of two liquids capable of mixing with each other in an arbitrary proportion. On the basis of the well-known solution of the problem of stationary diffusion of vapor in the case of one-component droplet in the form of a spherical segment, a system of equations is formulated, which in general describes the evaporation of a binary droplet. Within the approximation of an ideal solution, the relationship between the current values of the solution concentration in the droplet and the droplet volume is obtained in an explicit form. It is shown that the volume of a binary droplet in the process of evaporation can change nonmonotonically with time, in contrast to a one-component case. As an example, the evaporation of a droplet of an aqueous solution of sulfuric acid is discussed in detail in this work. The results obtained in this case within the framework of a stationary isothermal theory are analyzed in comparison with the experimental data. It is shown that the observed discrepancy between the experimental data and the conclusions of the stationary isothermal theory can be explained by the combined effect of thermal effects and a noticeable difference in the current values of the solution concentration at the surface and in the droplet volume.