Współczynnik dyfuzji po prostu odnosi się do szybkości lub szybkości dyfuzji jednej materii w drugą, a lepkość jest oporem na jakikolwiek przepływ. Tutaj omówimy związek między współczynnikiem dyfuzji a lepkością.
Początkowym warunkiem zrozumienia tego artykułu jest znajomość zarówno pojęć współczynnika dyfuzji, jak i lepkości. Następnie możemy odpowiednio zwizualizować relacje między nimi, a także wzajemne oddziaływanie.
Co to jest współczynnik dyfuzji?
Wraz z pierwszym i drugim prawem Ficka, współczynnik dyfuzji jest ważnym parametrem w wielu równaniach fizyki i chemii.
Współczynnik dyfuzji przedstawia ruchliwość dyfuzyjną, im wyższy współczynnik dyfuzji lub dyfuzji substancji w porównaniu z innymi w parze gatunków, tym szybciej mieszają się one ze sobą.
Współczynnik dyfuzji to parametr mierzący szybkość dyfuzji jednej materii w drugą. Jednostką dyfuzyjności w układzie SI jest m2/ S
Możemy otrzymać matematyczne wyrażenie na współczynnik dyfuzji z praw Ficka.
Z pierwszego prawa Fickawiemy, że cząsteczki przemieszczają się z obszaru o wyższym stężeniu do niższego stężenia, co oznacza, że bezpośrednio wiąże strumień dyfuzyjny z gradientem stężenia.
Gdzie J: strumień dyfuzji
D: dyfuzyjność
x: pozycja
Z drugiego prawa Ficka, możliwe jest obliczenie zmiany stężenia płynu w zależności od czasu.
Gdzie, D: dyfuzyjność
t: czas
x: pozycja
Co to jest lepkość?
Lepkość to siła oporu odczuwana przez cząstkę w stosunku do jej ruchu.
Lepkość jest odczuwana podczas względnego ruchu między dwiema warstwami płynu. Jest to opór tarcia, gdy warstwy płynu ślizgają się po sobie podczas ruchu.
Gdy płyn jest używany jako smar i podczas transportu rurociągami, lepkość odgrywa ważną rolę w określaniu sił, które można pokonać. W niektórych procesach, takich jak powlekanie powierzchni, natryskiwanie i formowanie wtryskowe itp. Lepkość kontroluje przepływ płynu.
Jak lepkość wpływa na dyfuzję?
Lepkość to parametr określający szybkość dyfuzji.
Dyfuzja to rozprzestrzenianie się cząsteczek lub atomów z obszaru wyższego do niższego stężenia, a lepkość przedstawia tarcie międzycząsteczkowe płynu, które ogranicza jego ruch. Ponieważ dyfuzja to nic innego jak ruch cząsteczek, a lepkość jest ograniczeniem ruchu, więc lepkość bezpośrednio wpływa na dyfuzję.
W przypadku płynu (może to być ciecz lub gaz) o dużej lepkości, tarcie międzycząsteczkowe lub zderzenie między cząstkami jest również wysokie, co uniemożliwia swobodny ruch cząstek, co skutkuje niską szybkością dyfuzji.
Z drugiej strony, jeśli płyn jest mniej lepki, przestrzeń międzycząsteczkowa między cząsteczkami jest większa i mogą one łatwiej poruszać się lub dyfundować, szybkość dyfuzji automatycznie wzrasta.
Zależność lepkości współczynnika dyfuzji
Na dyfuzyjność lub współczynnik dyfuzji (D) wpływają różne czynniki, jednym z nich jest lepkość.
Dyfuzja zachodzi w wyniku losowego ruchu cząstek wewnątrz układu, a współczynnik dyfuzji określa, jak szybko te cząsteczki poruszają się, aby osiągnąć stan równowagi. Lepkość wynika z interakcji cząsteczek płynu w postaci wewnętrznej siły tarcia, która spowalnia ogólny ruch względny cząstek.
Lepkość i dyfuzja atomowa to wzajemnie powiązane właściwości, które rządzą dynamiką płynów. Relacja Stokesa-Einsteina jest powszechnie używana do obliczyć współczynniki dyfuzji atomów lub cząsteczek cieczy z lepkości i odwrotnie.
Gdzie, kB = 1.38 × 10-23J/K jest stałą Boltzmanna
D to współczynnik dyfuzji.
r_{H} to jego promień hydrodynamiczny.
jest rozpuszczalnikiem lepkości.
T to temperatura bezwzględna.
Od 1),
Współczynnik dyfuzji polimeru i lepkość
Proces dyfuzji w polimerze jest krytyczny, a szybkość dyfuzji powinna leżeć pomiędzy ciałem stałym a cieczą.
Płyny nienewtonowskie mają wysoką lepkość niż zwykłe płyny, stąd mają niski współczynnik dyfuzji.
Ważne jest badanie migracji małych cząsteczek w materiale polimarowym, np. podczas suszenia opakowań polimarycznych, kontrolowanego dostarczania leków, tworzenia błon i separacji membranowej.
Ponieważ pomogłoby to oszacować współczynnik dyfuzji w określonym stężeniu i temperaturze, które w innym przypadku musiałyby być mierzone doświadczalnie w zależności od przypadku.
Współczynnik dyfuzji i stężenie
Dyfuzja materii następuje głównie z powodu różnic stężeń w całej mieszaninie lub rozpuszczalniku.
Bardziej stromy gradient stężenia powoduje szybszą dyfuzję w roztworze. Cząsteczki z obszaru o wyższym stężeniu poruszają się szybciej w kierunku obszaru o niższej koncentracji, aby osiągnąć stan równowagi.
Ponieważ substancje rozpuszczone równomiernie rozprowadzają się w roztworze (osiągają stan równowagi), zmniejsza się również szybkość dyfuzji.
Stężenie roztworu to ilość jednej substancji rozpuszczonej obecnej w określonej ilości rozpuszczalnika. Na przykład w mieszaninie cukru i wody ilość cukru to jego stężenie. Koncentracja odgrywa kluczową rolę w decydowaniu o wielu właściwościach roztworu.
Współczynnik dyfuzji jest związany z przypadkowym ruchem substancji rozpuszczonej, który zależy głównie od różnicy stężeń w całym roztworze.
Możemy więc powiedzieć, że współczynnik dyfuzji (D) jest wprost proporcjonalny do gradientu stężenia.
Współczynnik dyfuzji i zależność stężenia
Dyfuzyjność lub Stała Dyfuzji (D) jest stałą proporcjonalności spotykaną w prawie Ficka, która daje bezpośredni związek między współczynnikiem dyfuzji a koncentracją.
Zgodnie z pierwszym prawem dyfuzji Ficka, strumień molowy spowodowany dyfuzją jest proporcjonalny do gradientu stężenia, gdzie strumień molowy odnosi się do ilości substancji przepływającej przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu, a gradient stężenia jest zmianą wartości ilości .
Z pierwszego prawa Ficka otrzymujemy następujące równanie:
Gdzie J: strumień dyfuzji
D: dyfuzyjność
x: pozycja
Dlaczego wyższe stężenia rozchodzą się szybciej?
Gradient stężenia jest głównym parametrem mechanizmu dyfuzji.
Na ruch cząstek w roztworze wpływa liczba cząsteczek w określonej ilości rozpuszczalnika lub jego stężenie w tym regionie. Cząstki zawsze mają tendencję do przemieszczania się z obszaru o wyższym stężeniu do obszaru o niższym stężeniu, aż do równomiernej dyfuzji w roztworze.
W tym celu nie jest wymagany wkład energii, sam gradient stężenia zachowuje się jak zmagazynowana energia potencjalna, która wzmaga ruch cząstek.
Jak rozmiar wpływa na współczynnik dyfuzji?
Rozmiar cząsteczkowy materii rozpraszającej jest jednym z parametrów wpływających na współczynnik dyfuzji.
W roztworze lżejsze cząstki szybciej niż cięższe. Nie jest więc oczywiste, że w roztworze składającym się z cząstek różnej wielkości poruszają się z różną prędkością. Lżejsza cząstka porusza się szybciej i osiąga stan równowagi w krótszym czasie.
Współczynnik dyfuzji przedstawia szybkość dyfuzji lub czas potrzebny molekułom do równomiernego rozprowadzenia. Jeśli rozważymy dwa rozwiązania Xi Y i rozwiązanie X ma więcej mniejszych cząstek w porównaniu do roztworu Y to rozwiązanie X osiągnie stan równowagi w krótszym czasie niż rozwiązanie Y .
Aby dowiedzieć się więcej o współczynniku dyfuzji (Kliknij tutaj)
