Hmotová difuzivita - Mass diffusivity
Difuzivita, hmotnostní difuzivita nebo difúzní koeficient je konstanta proporcionality mezi molární tok kvůli molekulární difúze a gradient v koncentraci druhu (nebo hnací síla pro difúzi). Difuzivita se vyskytuje v Fickův zákon a mnoho dalších rovnic fyzikální chemie.
Difuzivita je obecně předepsána pro daný pár druhů a po párech pro vícedruhový systém. Čím vyšší je difuzivita (jedné látky vzhledem k druhé), tím rychleji do sebe difundují. Typicky je difuzní koeficient sloučeniny ~ 10 000 × vyšší ve vzduchu i ve vodě. Oxid uhličitý ve vzduchu má koeficient difúze 16 mm2/ s a ve vodě je jeho difúzní koeficient 0,0016 mm2/ s.[1][2]
Difuzivita má Jednotka SI m2/ s (délka2 / čas). v Jednotky CGS udává se v cm2/ s.
Teplotní závislost difúzního koeficientu
Pevné látky
Difuzní koeficient v pevných látkách při různých teplotách je obecně považován za dobře předvídatelný Arrheniova rovnice:
kde
- D je difúzní koeficient (vm2/ s),
- D0 je maximální difúzní koeficient (při nekonečné teplotě; v m2/ s),
- EA je aktivační energie pro difúzi (v J / mol),
- T je absolutní teplota (v K),
- R je univerzální plynová konstanta, 8,31446 J / (mol⋅K)
Kapaliny
Přibližnou závislost difúzního koeficientu na teplotě v kapalinách lze často najít pomocí Stokes – Einsteinova rovnice, což to předpovídá
kde
- D je difúzní koeficient,
- T1 a T2 jsou odpovídající absolutní teploty,
- μ je dynamická viskozita rozpouštědla.
Plyny
Závislost difuzního koeficientu na teplotě pro plyny lze vyjádřit pomocí Chapman – Enskogova teorie (předpovědi jsou v průměru přesné přibližně na 8%):[3]
kde
- D je difúzní koeficient (cm2/ s),[3][4]
- A je empirický koeficient rovný
- 1 a 2 indexují dva druhy molekul přítomných v plynné směsi,
- T je absolutní teplota (K),
- M je molární hmotnost (g / mol),
- p je tlak (atm),
- je průměrný průměr srážky (hodnoty jsou uvedeny v tabulce[5] strana 545) (Å),
- Ω je teplotně závislý kolizní integrál (hodnoty jsou uvedeny v tabulce[5] ale obvykle řádu 1) (bezrozměrný).
Závislost difúzního koeficientu na tlaku
Pro vlastní difúzi v plynech při dvou různých tlacích (ale stejné teplotě) byla navržena následující empirická rovnice:[3]
kde
- D je difúzní koeficient,
- ρ je hmotnostní hustota plynu,
- P1 a P2 jsou odpovídající tlaky.
Populační dynamika: závislost difúzního koeficientu na kondici
V populační dynamice kineze je změna difúzního koeficientu v reakci na změnu podmínek. V modelech účelné kineze závisí difúzní koeficient na kondici (nebo reprodukčním koeficientu) r:, kde a r závisí na hustotě populace a abiotických charakteristikách životních podmínek. Tato závislost je formalizací jednoduchého pravidla: Zvířata zůstávají déle v dobrých podmínkách a zanechávají rychlejší špatné podmínky (model „Nechte dost dobře na pokoji“).
Efektivní difuzivita v porézních médiích
Efektivní difúzní koeficient popisuje difúzi pórovým prostorem porézní média.[6] to je makroskopické v přírodě, protože není třeba brát v úvahu jednotlivé póry, ale celý prostor pórů. Efektivní difúzní koeficient pro transport póry, DE, se odhaduje takto:
kde
- D je difúzní koeficient v plynu nebo kapalině vyplňující póry,
- εt je pórovitost k dispozici pro přepravu (bezrozměrný),
- δ je zúženost (bezrozměrný),
- τ je křehkost (bezrozměrný).
Doprava k dispozici pórovitost se rovná celkové porozitě méně pórů, které vzhledem ke své velikosti nejsou přístupné difundujícím částicím, a méně slepých a slepých pórů (tj. pórů, aniž by byly spojeny se zbytkem systému pórů). Konstrikčnost popisuje zpomalení difúze zvýšením viskozita v úzkých pórech v důsledku větší blízkosti průměrné stěny pórů. Je to funkce průměru pórů a velikosti rozptýlených částic.
Ukázkové hodnoty
Plyny při 1 atm., Rozpuštěné v kapalině při nekonečném ředění. Legenda: (s) - solidní; (l) - kapalina; (g) - plyn; (dis) - rozpuštěno.
Druhový pár (rozpuštěná látka - rozpouštědlo) | Teplota (° C) | D (cm2/ s) | Odkaz |
---|---|---|---|
Voda (g) - vzduch (g) | 25 | 0.282 | [3] |
Kyslík (g) - vzduch (g) | 25 | 0.176 | [3] |
Druhový pár (rozpuštěná látka - rozpouštědlo) | Teplota (° C) | D (cm2/ s) | Odkaz |
---|---|---|---|
Aceton (dis) - voda (l) | 25 | 1.16×10−5 | [3] |
Vzduch (dis) - voda (l) | 25 | 2.00×10−5 | [3] |
Amoniak (dis) - voda (l) | 25 | 1.64×10−5 | [3] |
Argon (dis) - voda (l) | 25 | 2.00×10−5 | [3] |
Benzen (dis) - voda (l) | 25 | 1.02×10−5 | [3] |
Brom (dis) - voda (l) | 25 | 1.18×10−5 | [3] |
Oxid uhelnatý (dis) - voda (l) | 25 | 2.03×10−5 | [3] |
Oxid uhličitý (dis) - voda (l) | 25 | 1.92×10−5 | [3] |
Chlor (dis) - voda (l) | 25 | 1.25×10−5 | [3] |
Ethan (dis) - voda (l) | 25 | 1.20×10−5 | [3] |
Ethanol (dis) - voda (l) | 25 | 0.84×10−5 | [3] |
Ethylen (dis) - voda (l) | 25 | 1.87×10−5 | [3] |
Helium (dis) - voda (l) | 25 | 6.28×10−5 | [3] |
Vodík (dis) - voda (l) | 25 | 4.50×10−5 | [3] |
Sirovodík (dis) - voda (l) | 25 | 1.41×10−5 | [3] |
Metan (dis) - voda (l) | 25 | 1.49×10−5 | [3] |
Metanol (dis) - voda (l) | 25 | 0.84×10−5 | [3] |
Dusík (dis) - voda (l) | 25 | 1.88×10−5 | [3] |
Oxid dusnatý (dis) - voda (l) | 25 | 2.60×10−5 | [3] |
Kyslík (dis) - voda (l) | 25 | 2.10×10−5 | [3] |
Propan (dis) - voda (l) | 25 | 0.97×10−5 | [3] |
Voda (l) - aceton (l) | 25 | 4.56×10−5 | [3] |
Voda (l) - ethanol (l) | 25 | 1.24×10−5 | [3] |
Voda (l) - ethylacetát (l) | 25 | 3.20×10−5 | [3] |
Druhový pár (rozpuštěná látka - rozpouštědlo) | Teplota (° C) | D (cm2/ s) | Odkaz |
---|---|---|---|
Vodík - železo | 10 | 1.66×10−9 | [3] |
Vodík - železo | 100 | 124×10−9 | [3] |
Hliník - měď | 20 | 1.3×10−30 | [3] |
Viz také
Reference
- ^ CRC Press Online: CRC Handbook of Chemistry and Physics, Section 6, 91. vydání
- ^ Difúze
- ^ A b C d E F G h i j k l m n Ó p q r s t u proti w X y z aa ab ac inzerát ae af Cussler, E. L. (1997). Diffusion: Mass Transfer in Fluid Systems (2. vyd.). New York: Cambridge University Press. ISBN 0-521-45078-0.
- ^ Welty, James R .; Wicks, Charles E .; Wilson, Robert E .; Rorrer, Gregory (2001). Základy přenosu hybnosti, tepla a hmoty. Wiley. ISBN 978-0-470-12868-8.
- ^ A b Hirschfelder, J .; Curtiss, C. F .; Bird, R. B. (1954). Molekulární teorie plynů a kapalin. New York: Wiley. ISBN 0-471-40065-3.
- ^ Grathwohl, P. (1998). Difúze v přírodních porézních médiích: kinetika transportu kontaminantů, sorpce / desorpce a rozpouštění. Kluwer Academic. ISBN 0-7923-8102-5.