Массоперенос
Термин «массоперенос», или «массопередача», охватывает широкий круг процессов, при которых происходит перемещение вещества внутри некой системы. Дать простое определение совокупности таких явлений довольно трудно; можно только сказать, что речь идет о движении молекул разных видов внутри систем и о факторах, влияющих на это движение.
Существует два фундаментальных механизма переноса массы внутри одной среды (или фазы) — диффузия и конвекция (или объемное движение). Они демонстрируют также важный класс явлений — перенос веществ через границу между фазами – через границы газ-жидкость и жидкость-твердое тело. В биологических системах часто наблюдается перенос массы между двумя жидкими фазами, разделенными полупроницаемой перегородкой, например клеточной мембраной. Такой перенос может протекать как благодаря объемному движению, так и вследствие диффузии, а детали его определяются структурными и химическими свойствами мембраны и такими параметрами, как концентрация и давление в каждой фазе.
Диффузия (от лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание), перенос частиц разной природы, обусловленный хаотическим тепловым движением молекул (атомов) в одно- или многокомпонентных газовых либо конденсирированных средах. Такой перенос осуществляется при наличии градиента концентрации частиц или при его отсутствии; в последнем случае процесс называется самодиффузией (см. ниже). Различают диффузию коллоидных частиц (т. наз. броуновская диффузия), в твердых телах, молекулярную, нейтронов, носителей заряда в полупроводниках и др.; о переносе частиц в движущейся с определенной скоростью среде (конвективная диффузия). Все указанные виды диффузии описываются одними и теми же феноменологическими соотношениями.
Основные понятия. Главной характеристикой диффузии служит плотность диффузионного потока J - количество вещества, переносимого в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса. Если в среде, где отсутствуют градиенты температуры, давления, электрического потенциала и др., имеется градиент концентрации с(х, t), характеризующий ее изменение на единицу длины в направлении х (одномерный случай) в момент времени t, то в изотропной покоящейся среде:
J = -D(dс/dх),
Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень с диаметром в два сантиметра, чем через стержень с диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться в два раза быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10°C вместо 5°C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени.
На молекулярном уровне диффузия определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии пропорциональна в связи с этим средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры.
Если в смеси газов одна молекула в четыре раза тяжелее другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь веществ, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые молекулы со временем концентрируются в холодной области.
С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала
В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то выше приведённую формулу можно заменить на следующую:
которая показывает, что плотность потока вещества J [cm - 2s - 1] пропорциональна коэффициенту диффузии D [(cm2s - 1)] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):
Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса.
Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера—Планка
Конвекция - перенос теплоты в жидкостях или газах потоками вещества, т.е. теплообмен происходит путем переноса материальных частиц. Свободная конвекция возникает в поле силы тяжести при неравномерном нагреве (нагреве снизу) текучих веществ.
Свободно конвективные течения возникают в результате изменений плотности, разность плотностей нагретого и охлажденного вещества создает выталкивающую силу (Архимедова сила), под действием которой возникает течение.
Полный тепловой поток в результате теплоотдачи определяется формулой Ньютона, которая связывает тепловой поток q и разность температур δO поверхности тела и окружающей среды:
q=ε*S*δO ,
где ε - коэффициент теплоотдачи, зависящий от вида течения, свойств вещества, размеров нагретого тела;S - поверхность тела
Так как конвекция связана с массопереносом, то эффективность ее проявления в газах определяется давлением. При низком давлении газов эффект не проявляется.