5. Массообмен и его виды. Виды диффузии. Закон Фика.
Массобменом называется необратимый самопроизвольный процесс переноса распределенного вещества из одной фазы в другую через разделяющую границу или в пределах одной фазы при наличии неоднородного поля химического потенциала этого вещества.
µ=h-st, µ - химический потенциал
h – энтальпия (удельная)(Дж/кг)
h=u+pv; u - удельная внутренняя энергия, p - давление, v - удельный объем
s – энтропия (удельная), t- температура
Химический потенциал отражает те параметры системы, неоднородность которых приведет к массообмену, а этими параметрами могут быть и концентрация, и температура, и давления и др. Выравнивание химического потенциала в рамках системы означает достижение этой системой равновесного состояния. Массообмен осуществляется путем молекулярной турбулентной или конвективной диффузии, поэтому термин массообмен имеет более широкое толкование, чем термин диффузия.
Диффузия имеет место в газах, жидкостях и твердых телах. При этом диффундировать могут как находящиеся в этих системах частицы посторонних веществ, так и собственные частицы. В последнем случае говорят о самодиффузии. Молекулярная диффузия обусловлена переносом молекул вещества из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией и протекает в неподвижной среде или в ламинарных течениях. Перенос вещества при молекулярной диффузии определяется законом Фика (1855). Формулировка: количество вещества диффундирующего через слой за единицу времени, пропорциональна площади слоя, перпендикулярно направлению диффузионного потока и пропорциональна градиенту в направлении диффузии
dM= - D(dc/dn)dF; кг/с
dM; кг/с – масса диффундирующего вещества в единицу времени
рис.
D; м²/с – коэффициент диффузии
(dc/dn) – градиент концентрации диффундирующего вещества ((кг/м³)/м)
dF; м² - элементарная площадка, через которую диффундирует данное вещество
Поскольку перенос вещества происходит в направлении снижения потенциала (концентрации), а градиент направлен сторону повышения концентрации (потенциала), то в математическом выражении закона Фика присутствует знак «-» (такой же знак «-» имеется в математическом выражении закона Фурье для теплопроводности). Для турбулентной диффузии количество вещества переносимого вследствие ее протекания записывается в виде формулы, аналогичной закону Фика:
dMT =ε T (dc/dn)dF
ε T - коэффициент турбулентной диффузии м²/с
Основным отличием последнего уравнения от закона Фика является то, что коэффициент диффузии D является физической постоянной и его можно найти в справочнике, а коэффициент турбулентной диффузии физической константой не является, а полностью зависит от гидродинамических условий течения (от степени турбулентности потока).
В технике чаще реализуются турбулентные течения, чем ламинарные. Ламинарные это такие течения, при которых линии тока представляющие собой траектории движения отдельных частиц не пересекаются. Ламинарные течения имеют место при низких скоростях потока. При увеличении скорости течения среды от нуля до некоторой величины называемой критической ламинарное течение теряет устойчивость. Потеря устойчивости связана с постоянно присутствующим тепловым движением молекул, а также с любыми возмущающими воздействиями. В результате этого ламинарное течение сменяется, после некоторой переходной области, турбулентным. При турбулентном течении происходит интенсивное перемешивание частиц из соседних слоев. В поперечном направлении потоку перемещаются уже не отдельные молекулы, а целые «камки» жидкости. Течение может носить вихреобразный характер, при котором идет интенсивное перемешивание макрообъемов жидкости.
При конвективной диффузии перенос вещества обусловлен течением самой среды в данном направлении и естественно осуществляется в направлении движения самой среды. Обычно конвективная диффузия сопровождается молекулярной диффузией и суммарный результат этих явлений называют конвективной диффузией, а если есть теплообмен, то конвективным теплообменом.