Массовая диффузия - Mass diffusivity

Диффузность, массовая диффузия или же коэффициент диффузии - константа пропорциональности между молярный поток из-за молекулярных распространение и градиент концентрации вида (или движущая сила диффузии). Диффузия встречается в Закон Фика и многие другие уравнения физическая химия.

Коэффициент диффузии обычно предписывается для данной пары видов и попарно для многовидовой системы. Чем выше коэффициент диффузии (одного вещества по отношению к другому), тем быстрее они диффундируют друг в друга. Обычно коэффициент диффузии соединения в воздухе примерно в 10 000 раз больше, чем в воде. Углекислый газ в воздухе имеет коэффициент диффузии 16 мм.²/ с, а в воде его коэффициент диффузии составляет 0,0016 мм²/ с.^[1][2]

Диффузия имеет Единица СИ м²/ с (длина² / время). В Единицы CGS это дано в см²/ с.

Температурная зависимость коэффициента диффузии

Твердые тела

Коэффициент диффузии в твердых телах при различных температурах обычно хорошо предсказывается с помощью Уравнение Аррениуса:

${ displaystyle D = D_ {0} cdot exp left (- { frac {E _ { text {A}}} {RT}} right)}$

куда

D - коэффициент диффузии (в м²/ с),

D₀ - максимальный коэффициент диффузии (при бесконечной температуре; в м²/ с),

E_А это энергия активации для диффузии (в Дж / моль),

Т - абсолютная температура (в К),

р это универсальная газовая постоянная, 8,31446 Дж / (моль⋅К)

Жидкости

Приблизительную зависимость коэффициента диффузии от температуры в жидкостях часто можно найти, используя Уравнение Стокса – Эйнштейна., что предсказывает, что

${ displaystyle { frac {D_ {T_ {1}}} {D_ {T_ {2}}}} = { frac {T_ {1}} {T_ {2}}} { frac { mu _ { T_ {2}}} { mu _ {T_ {1}}}},}$

куда

D - коэффициент диффузии,

Т₁ и Т₂ - соответствующие абсолютные температуры,

μ это динамическая вязкость растворителя.

Газы

Зависимость коэффициента диффузии от температуры для газов можно выразить с помощью Теория Чепмена – Энскога (точность прогнозов в среднем составляет около 8%):^[3]

${ displaystyle D = { frac {A cdot T ^ {3/2} { sqrt {1 / M_ {1} + 1 / M_ {2}}}} {p sigma _ {12} ^ {2 } Omega}},}$

куда

D - коэффициент диффузии (см²/ с),^[3][4]

A - эмпирический коэффициент, равный ${ textstyle 1.859 times 10 ^ {- 3} { frac {atm cdot mathrm { AA} ^ {2} cdot cm ^ {2} cdot { sqrt { frac {g} {mol} }}} {K ^ {3/2} cdot s}}}$

1 и 2 обозначают два типа молекул, присутствующих в газовой смеси,

Т - абсолютная температура (К),

M - молярная масса (г / моль),

п - давление (атм),

${ displaystyle sigma _ {12} = { frac {1} {2}} ( sigma _ {1} + sigma _ {2})}$ - средний диаметр столкновения (значения сведены в таблицу^[5] стр. 545) (Å),

Ω - температурно-зависимый интеграл столкновений (значения приведены в таблице^[5] но обычно порядка 1) (безразмерный).

Зависимость коэффициента диффузии от давления

Для самодиффузии в газах при двух разных давлениях (но при одинаковой температуре) было предложено следующее эмпирическое уравнение:^[3]

${ Displaystyle { frac {D_ {P1}} {D_ {P2}}} = { frac { rho _ {P2}} { rho _ {P1}}},}$

куда

D - коэффициент диффузии,

ρ - массовая плотность газа,

п₁ и п₂ - соответствующие давления.

Динамика популяции: зависимость коэффициента диффузии от приспособленности

В динамике населения кинезис - изменение коэффициента диффузии при изменении условий. В моделях целенаправленного кинезиса коэффициент диффузии зависит от приспособленности (или коэффициента воспроизводства). р:${ displaystyle D = D_ {0} e ^ {- alpha r}}$, куда ${ displaystyle D_ {0} = const}$ и р зависит от плотности населения и абиотических характеристик условий жизни. Эта зависимость является формализацией простого правила: животные дольше остаются в хороших условиях и быстрее покидают плохие (модель «Не трогать»).

Эффективный коэффициент диффузии в пористой среде

Эффективный коэффициент диффузии описывает диффузию через поровое пространство пористая среда.^[6] это макроскопический в природе, потому что необходимо учитывать не отдельные поры, а все поровое пространство. Эффективный коэффициент диффузии для переноса через поры, D_е, оценивается следующим образом:

${ displaystyle D _ { text {e}} = { frac {D varepsilon _ {t} delta} { tau}},}$

куда

D - коэффициент диффузии в газе или жидкости, заполняющей поры,

ε_т это пористость в наличии для транспорта (безразмерный),

δ это перетяжка (безразмерный),

τ это извилистость (безразмерный).

Доступный транспорт пористость равна общей пористости за вычетом пор, которые из-за своего размера недоступны для диффундирующих частиц, и меньше тупиковых и слепых пор (то есть пор, не связанных с остальной системой пор). Конструктивность описывает замедление диффузии за счет увеличения вязкость в узких порах в результате большей близости к средней стенке поры. Это функция диаметра пор и размера диффундирующих частиц.

Примеры значений

Газы при 1 атм. Растворяются в жидкости при бесконечном разбавлении. Условные обозначения: (s) - сплошной; (л) - жидкость; (г) - газ; (дис) - растворяется.

Смотрите также

• Атомная диффузия
• Эффективный коэффициент диффузии
• Коэффициент диффузии решетки
• Кнудсеновская диффузия

Рекомендации