马兰戈尼对流 首先，我们将马兰戈尼对流置于其物理基础——表面张力之上。表面张力是液体表面层分子间内聚力不均衡，导致表面像一张紧绷弹性膜的特性，其宏观表现是使液体表面尽可能收缩的力，单位为N/m。 现在，引入核心驱动力：表面张力梯度。表面张力通常被视为液体的固有性质，但它并非恒定。它随温度变化（温度升高，分子动能增大，内聚力减弱，表面张力通常降低），也随溶质浓度变化（如加入表面活性剂通常会显著降低表面张力）。当液体表面存在温度或浓度不均匀时，表面张力就会在空间上产生差异，即形成表面张力梯度。 梯度产生力。根据物理学原理，力总是从高势能指向低势能区域。对于表面张力，高表面张力区域的液体表面受到更强的向内收缩力。因此，如果液体表面某点A的表面张力高于相邻点B，那么A点对表面层液体的“拉拽”作用就比B点强。这将导致表面层液体从表面张力低的B点流向表面张力高的A点，以试图“抹平”张力差异。这种由表面张力梯度驱动而产生的沿液体表面方向的切向力，称为 马兰戈尼应力 。 表面流动的连续性。根据质量守恒，当表面层液体从B点流向A点时，A点下方的液体体积会积聚。为了补偿，深层液体会产生从A点下方流向B点下方的回流。这样，表面张力梯度就驱动了液面切向流动和液体内循环流动的结合，形成了一个对流涡旋（环流）。这种由表面张力梯度驱动、涉及表面和内部流体的整体对流运动，就是 马兰戈尼对流 。 我们通过经典实例来具体化这个过程： 酒泪 或 挂杯现象 。在装有葡萄酒的酒杯中，酒精比水更易挥发。靠近液面边缘（弯月面）处的液体膜更薄，表面积/体积比大，酒精挥发更快。这导致边缘区域的酒精浓度低于中心区域。由于酒精是表面活性物质（降低表面张力），边缘区域的表面张力因而高于中心区域。于是，表面层液体从中心（低表面张力）被拉向杯壁边缘（高表面张力）。液体在杯壁积聚到一定程度后，在重力作用下沿杯壁下滑，形成“泪滴”。这一过程的核心驱动力是浓度差异导致的表面张力梯度引发的马兰戈尼对流。 另一个重要实例是 马兰戈尼-贝纳德对流 。在浅层液体池（如平底锅中的薄层硅油）底部均匀加热。底部受热液体升温，表面张力降低；而表面较冷的液体表面张力较高。这形成了表面张力梯度：表面中心区域（对应下方热源）张力低，边缘区域（较冷）张力高。表面液体从中心流向边缘，而底层热液体向上补充，冷液体从边缘下沉，形成有序的对流胞结构（通常是六边形胞格）。这与由密度梯度驱动的经典瑞利-贝纳德对流不同，马兰戈尼对流在液层很薄或微重力环境下尤为显著。 马兰戈尼对流的影响与应用 。这种对流在自然界和工程中无处不在且至关重要。在微重力太空环境中，浮力对流消失，马兰戈尼对流成为主导的流体输运机制，影响太空材料加工（如晶体生长）、燃料管理。在焊接和激光熔覆中，熔池内的温度梯度引发强马兰戈尼对流，显著影响熔池形貌、凝固组织和缺陷形成。在薄膜涂层干燥、微流体芯片内的液滴操控、以及之前讨论过的马兰戈尼效应（液滴的自发运动）中，它都是关键物理过程。其不稳定性也是流体力学研究的重要课题。 总结其因果链： 表面张力存在 → 表面张力可随温度/浓度变化 → 温度/浓度不均匀产生表面张力梯度 → 梯度产生沿表面的切向应力（马兰戈尼应力） → 应力驱动表面流动，引发内部补偿回流 → 形成马兰戈尼对流环流 → 影响传热传质、界面形态和材料加工 。