Масса Диффузия: Уравнение и применение

Последнее обновление {{lastDate}}

Что такое массовая диффузия

Массовая диффузия, иногда сокращенно называемая DD, - это скорость или мера, с которой частицы или молекулы вещества распространяются в другом веществе, обычно в системе жидкостей. Это физический параметр, определяющий, насколько легко вещество распространяется из концентрированной области в разбавленную. Диффузия обусловлена случайным движением молекул и градиентами концентрации. Диффузия масс особенно важна в ряде отраслей промышленности и научных областей, включая химическое машиностроение, биологию и экологию.

Уравнение диффузии (закон Фика)

Наиболее распространенной моделью, учитывающей массовую диффузию, является закон Фика о диффузии. Закон Фика связывает диффузионный поток (количество вещества, проходящего через единицу площади за единицу времени) с градиентом концентрации.

Уравнение первого закона диффузии Фика имеет вид:

J=-D⋅(dC/dx)

Где:

-J - диффузионный поток (моль/м²-с), или скорость диффузии.

-D - массовая диффузионная способность (м²/с), мера того, насколько легко диффундирует вещество.

-dC/dx - градиент концентрации (моль/м³-м), или как концентрация диффундирующего вещества изменяется с расстоянием.

Знак минус показывает, что поток идет от высокой концентрации к низкой, в соответствии с естественным стремлением диффузии к уменьшению градиента концентрации. Закон Фика предполагает стационарный процесс диффузии, когда градиент концентрации не изменяется.

Для нестационарной диффузии (когда концентрация изменяется со временем) используется второй закон Фика:

∂C*∂t=D*(∂^2*C/∂* x^2 ).

Это уравнение отражает изменение концентрации в зависимости от времени и часто встречается в таких приложениях, как диффузия в живых организмах или переходный тепло- и массообмен в технике.

Факторы, влияющие на массовую диффузию

Массовая диффузия (D) характеризует скорость диффузии вещества через среду и зависит от нескольких ключевых факторов:

1. Температура

Диффузионная способность увеличивается при повышении температуры из-за усиления молекулярного движения. Например, коэффициент диффузии кислорода в воде увеличивается с 2,0 × 10-⁹ м²/с при 25°C до 3,0 × 10-⁹ м²/с при 50°C, что свидетельствует об увеличении скорости переноса молекул на ~50%.

2. Вязкость среды

Повышенная вязкость замедляет диффузию. Например, глюкоза диффундирует в воде со скоростью 6,7 × 10-¹⁰ м²/с, в то время как в глицерине, более вязкой жидкости, диффузия составляет 2,2 × 10-¹¹ м²/с, что почти на порядок меньше, показывая, как сопротивление среды препятствует молекулярному потоку.

3. Размер и масса молекул

Крупным молекулам требуется больше времени для диффузии. Ионы натрия (Na⁺, диаметр 0,102 нм) диффундируют в воде со скоростью 1,33 × 10-⁹ м²/с, но такой белок, как бычий сывороточный альбумин (~66 кДа), диффундирует со скоростью всего 6 × 10-¹¹ м²/с, иллюстрируя, как вес и размер непосредственно влияют на подвижность.

4. Концентрационный градиент

Диффузия подчиняется первому закону Фика: более значительная разница концентраций приводит к ускорению диффузии. Например, при диффузии кислорода в микрофлюидном канале поток может увеличиться с 10-⁷ моль/м²-с при градиенте 0,1 моль/м³ до 10-⁶ моль/м²-с при градиенте 1 моль/м³, и он имеет очень линейное масштабирование с градиентом.

5. Природа диффундирующего вещества

Химические свойства, такие как полярность и растворимость, влияют на диффузию. Например, гидрофобные молекулы, такие как бензол, диффундируют в воде со скоростью 1,2 × 10-⁹ м²/с, а полярные молекулы, такие как этанол, - со скоростью 1,24 × 10-⁹ м²/с в зависимости от взаимодействия молекулы с растворителем.

6. Свойства среды

Природа, пористость, плотность и фазовый состав среды определяют диффузионную способность. Диффузия в газовой фазе обычно на порядки больше, чем в жидкостях; например, CO₂ диффундирует в воздухе со скоростью 1,6 × 10-⁵ м²/с, а в воде - только 1,9 × 10-⁹ м²/с. Эффективная диффузия в пористых средах уменьшается из-за извилистости, что актуально для таких применений, как разделение газов в мембранах.

Области применения массовой диффузии

Массовая диффузия является критическим параметром во многих научных и промышленных приложениях:

1. Химическая инженерия: Диффузия является движущей силой для многих операций, таких как смешивание, разделение и кинетика реакций. Скорость диффузии влияет на эффективность химических реакций, особенно каталитических, в реакторах.

2. Фармацевтическая промышленность: Диффузия массы имеет решающее значение при разработке систем доставки лекарств. Препараты с контролируемым высвобождением основаны на понимании того, как лекарства диффундируют через мембраны или другие барьеры в организме.

3. Биологические системы: В биологии массовая диффузия играет важную роль в объяснении таких процессов, как перенос кислорода и питательных веществ внутри клеток и тканей и диффузия сигнальных молекул в организмах.

4. Наука об окружающей среде: Диффузия имеет жизненно важное значение для распространения загрязняющих веществ в воздухе и воде. Моделирование процесса диффузии веществ в природных системах позволяет прогнозировать воздействие на окружающую среду и разрабатывать меры по ее восстановлению.

5. материаловедение: Диффузия играет важную роль в таких процессах, как спекание, нанесение покрытий и производство материалов, где материалы диффундируют в вещества для изменения их свойств.

Значения коэффициентов диффузии

Коэффициенты диффузии существенно различаются в зависимости от вещества и среды. Например:

-Вода: Диффузионная способность типичных веществ в воде составляет от 10^-9 до 10^-6 м²/с.

-воздух: Диффузия газов, таких как кислород или углекислый газ, в воздухе, как правило, выше и составляет от 10^-5 до 10^-4 м²/с.

-Твердые тела: Диффузия твердых тел обычно намного ниже и составляет от 10^-15 до 10^-10 м²/с.

Таблица 1: Коэффициенты диффузии в воде

Вещество	Коэффициент диффузии (DD, м²/с)
Кислород (O₂)	4.3×10-94.3 \times 10^{-9}
Диоксид углерода (CO₂)	1.6×10-91.6 \times 10^{-9}
Хлорид натрия (NaCl)	1.3×10-91.3 \times 10^{-9}
Глюкоза	6.0×10-106.0 \times 10^{-10}
Мочевина	1,5×10-91,5 \times 10^{-9}

Таблица 2: Коэффициенты диффузии в воздухе (при 25°C)

Вещество	Коэффициент диффузии (КД, м²/с)
Кислород (O₂)	1,94×10-51,94 \times 10^{-5}
Азот (N₂)	1.78×10-51.78 \times 10^{-5}
Диоксид углерода (CO₂)	1.60×10-51.60 \times 10^{-5}
Водяной пар (H₂O)	2,3×10-52,3 \times 10^{-5}
Аммиак (NH₃)	1.4×10-51.4 \times 10^{-5}

Таблица 3: Коэффициенты диффузии в твердых телах (при 1000°C)

Вещество	Коэффициент диффузии (DD, м²/с)
Железо (Fe)	4.8×10-144.8 \times 10^{-14}
Медь (Cu)	7.2×10-147.2 \times 10^{-14}
Алюминий (Al)	3.0×10-143.0 \times 10^{-14}
Кремний (Si)	1.1×10-151.1 \times 10^{-15}

Таблица 4: Коэффициенты диффузии в полимерах

Полимер	Коэффициент диффузии (DD, м²/с)
Полиэтилен (ПЭ)	2.5×10-132.5 \times 10^{-13}
Полистирол (PS)	1.0×10-131.0 \times 10^{-13}
Поливинилхлорид (ПВХ)	3.0×10-133.0 \times 10^{-13}
Полипропилен (PP)	1.3×10-131.3 \times 10^{-13}

Таблица 5: Коэффициенты диффузии в газах (при 1 атм и 25°C)

Газ	Коэффициент диффузии (DD, м²/с)
Водород (H₂)	6,2×10-56,2 \times 10^{-5}
Метан (CH₄)	4.6×10-54.6 \times 10^{-5}
Азот (N₂)	1.9×10-51.9 \times 10^{-5}
Кислород (O₂)	1.9×10-51.9 \times 10^{-5}
Диоксид углерода (CO₂)	1,5×10-51,5 \times 10^{-5}

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, обратитесь к Stanford Advanced Materials (SAM).

Часто задаваемые вопросы

1. Чем массовая диффузия отличается от тепловой диффузии?

Массовая диффузия - это диффузия частиц через среду, а тепловая диффузия - это диффузия тепла через вещество. Оба явления относятся к переносу, но одно из них связано с переносом массы, а другое - с переносом тепла.

2. Как молекулярная масса влияет на диффузионную способность вещества?

Как правило, более тяжелые молекулы диффундируют медленнее, чем легкие, потому что их больший размер и масса уменьшают их подвижность в среде.

3. Является ли массовая диффузия постоянной в системе?

Массовая диффузия обычно считается постоянной в большинстве случаев, особенно в стационарных системах. Однако в случае неоднородных систем или градиентов температуры в системе диффузия изменяется.

<< Прецедент

Атомная масса элементов 1-30

Следующий >>

Пластичность в физиологии

ПОСЛЕДНИЕ МЕСТА РАБОТЫ

Различные нагревательные элементы для использования при высоких температурах Танталовые слитки в коррозионно-стойких компонентах газовых компрессоров Облегчение углеродного волокна определяет будущее автомобильной промышленности 5 Основные фтористые кристаллы в оптике и лазерах Тематическое исследование: Ниобиевая сетка для корзины для анодирования титана

Категории

Об авторе

Chin Trento

Чин Тренто получил степень бакалавра прикладной химии в Университете Иллинойса. Его образование дает ему широкую базу, с которой он может подходить ко многим темам. Более четырех лет он занимается написанием статей о передовых материалах в Stanford Advanced Materials (SAM). Его основная цель при написании этих статей - предоставить читателям бесплатный, но качественный ресурс. Он приветствует отзывы об опечатках, ошибках или различиях во мнениях, с которыми сталкиваются читатели.

Оценки

{{viewsNumber}} Подумал о "{{blogTitle}}"

blog.levelAReply (Cancle reply)

Ваш адрес электронной почты не будет опубликован. Обязательные поля отмечены*

Комментарий*

Имя *

Электронная почта *

blog.MoreReplies

ОСТАВИТЬ ОТВЕТ