为什么咖啡渍边缘颜色更深?

不知道大家在日常生活中有没有注意到一个现象,桌上或者只书本上的咖啡渍中心的颜色比较淡,而边缘的颜色却比较深,这是什么原因呢?看似简单的问题里面其实包含着复杂的物理过程。

一杯咖啡可以看做是咖啡豆粉末和热水的混合悬浮液。咖啡悬浮液中的咖啡颗粒分散在咖啡渍中。

当咖啡渍被滴到其他表面上的时候,随着咖啡中的水分蒸发,咖啡会变得越来越干,而咖啡渍中的咖啡颗粒则开始沿着咖啡渍边缘聚集,最终当水分蒸发完了,则形成一个沿着咖啡渍边缘的深色环状结构,这种现象也被称为咖啡环效应

咖啡渍图片
咖啡渍图片

那么为什么咖啡颗粒会向咖啡渍边缘聚集呢?

像液态水这样的水分子因为内聚力的原因,它们总是试图紧紧的靠在一起,由于这种内聚力的存在,液体表面的分子会被主体中的分子强烈拉向内部。

表面分子受到的这种强烈的拉力也就是我们所属的表面张力。表面张力会促使液体表面收缩并稳定在表面积尽可能小的状态,这其中最完美的形成就是球形,这也是露珠是球形的原因。

表面张力导致球形水滴
表面张力导致球形水滴

所以水分子的内聚力会促使水滴尽可能的保持为球形。但是我们很少能够见到球形的液滴,咖啡渍也很少会是一滴完美的球形。

完美球形液体难以形成的原因是,这些水分子之间不但相互吸引,而且还能够吸引到表面的分子,不同种类分子之间的这种吸引力被称为粘附力

和内聚力试图让液滴变成球形不同,粘附力则试图让液体变成平面。

正是因为内聚力和粘附力对咖啡渍的“争夺”,才使得咖啡渍表现出了一些有趣的特性。

溢出的咖啡并不像你想象的那样呈球形!
溢出的咖啡并不像你想象的那样呈球形!

当咖啡渍滴落到表面上的时候,咖啡渍的边缘会附着在表面的凹槽当中,这种边缘固定对咖啡环效应的发生至关重要。

不同的水滴排列
不同的水滴排列

一旦咖啡渍的位置固定好,则表示咖啡液滴的边缘不会发生移动,液体开始蒸发和少量吸收而变干,但是整个咖啡渍表面的蒸发速度并不均匀。

研究表明,蒸发速率在液体与空气和固体平面接触的边缘处更大。由于中心的液滴较厚,边缘的蒸发较大,因此随着干燥的进行,液滴最终看起来像这样:

液滴不太稳定的形状
液滴不太稳定的形状

然而,如前所述,液体对它们的形状非常挑剔。一旦它们平坦的圆顶形状受到干扰,它们就会尝试恢复到稳定的形态。为了实现这一点,液体从中心冲到边缘并重新填充干燥区域。

这种补充过程在整个干燥过程中持续进行。

因此,在干燥时,水滴的外边界保持固定,但它会变得越来越平坦。

联络线固定
联络线固定

那么……咖啡颗粒呢?

随着液体不断向外流动,咖啡颗粒也会沿着固定边缘被冲上去。然后球形咖啡颗粒沿着边缘紧紧地堆积起来。

因此,随着所有液体的蒸发,剩下的只是一堆堆积在边界上的深棕色咖啡颗粒。这就是我们观察到的咖啡渍的深色边缘。

咖啡环效应
咖啡环效应

并不是所有的咖啡渍最终都会变成一个完美的黑环。有些污渍周围有细微的边界,而其他污渍最终会变成一团糟。

正如我们前面所说,根据内聚力和粘附力,液滴的形状会发生变化,进而向外流动也会发生变化。这会影响粒子的沉积,所以有时我们最终会得到斑块而不是环。

斑驳的污渍
斑驳的污渍

除了咖啡,咖啡环效应在许多其他液体中也很明显。在涂料、油漆制造和印刷等领域,消除或避免这种影响是必不可少的,因为在这些领域,颜色的均匀沉积是必不可少的。

研究表明,表面活性剂(如肥皂和椭圆形颗粒)的存在可以减轻这种影响。该领域的研究仍在进行中。

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