Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6669

Linear and Nonlinear Interface Model Based on the Electric Double Layer Theory

G. Janssens-Maenhout, T. Schulenberg

Aqueous solutions and liquid metals in contact with other phases or components experience strong Coulomb forces at their interface. To account this effect an electrical double layer at these liquid interfaces is introduced in the classical fluid dynamics. Coupling the electrostatic equations with the hydrodynamic equations, a microscopic model for a surface layer of finite thickness is developed. The model is based on an infinitely thin layer right at the surface, which includes all molecular surface effects empirically and a layer of finite thickness next to it, in which ions are distributed according to a Boltzmann function. A validation is performed by comparing the analytical results for the surface tension with experimental findings for the contact angle of liquid droplets on a solid surface, and the pressure drop in a micro channel.

Mikroskopisches Modell aus der elektrischen Doppelschichttheorie zur linearen und nichtlinearen Beschreibung der Grenzfläche

Wässrige Lösungen und Flüssigmetalle in Kontakt mit anderen Phasen oder Komponenten weisen starke Coulombkräfte an der Grenzfläche auf. Ein neues Modell für die Oberflächenspannung an Grenzflächen zwischen Flüssigkeit/Gas, Flüssigkeit/Flüssigkeit oder Flüssigkeit/Festkörper wird diskutiert, das diese Coulombkräfte an der Grenzfläche beschreibt. Dazu wird eine elektrische Doppelschicht modelliert. Mit der analytischen Lösung der nichtlinearen Poisson-Boltzmann-Gleichung wird die Oberflächenenergie verschiedener flüssig/gas, flüssig/flüssig und flüssig/fest Systeme berechnet und eine Beziehung für den Kontaktwinkel eines fest/flüssig/gas Systems hergeleitet. Dieses Modell wird weiter angewandt zur Druckverlust-Berechnung einer Kapillar- oder Oberflächenspannungsgetriebenen Strömung in einem Mikrosystem.