標籤:分子物理擴散

由於物質分子的熱運動而產生的擴散稱為分子擴散

1分子擴散定義

簡稱擴散,在濃度差或其他推動力的作用下,由於
分子擴散

  分子擴散

分子、原子等的熱運動所引起的物質在空間的遷移現象,是質量傳遞的一種基本方式。以濃度差為推動力的擴散,即物質組分從高濃度區向低濃度區的遷移,是自然界和工程上最普遍的擴散現象;以溫度差為推動力的擴散稱為熱擴散;在電場、磁場等外力作用下發生的擴散,則稱為強制擴散。
在化工生產中,物質在濃度差的推動下在足夠大的空間中進行的擴散最為常見,一般分子擴散就指這種擴散,它是傳質分離過程的物理基礎,在化學反應工程中也佔有重要地位。此外,還經常遇到流體在多孔介質中的擴散現象,它的擴散速率有時控制了整個過程的速率,如有些氣固相反應過程的速率。至於熱擴散只在穩定同位素和特殊物料的分離中有所應用,強制擴散則應用甚少。
擴散與溫度有關。

2斐克定律

1855年德國人A.E.斐克提出描述分子擴散規律的基本定律
分子擴散

  分子擴散

。在組分A和B的混合物中,組分A的擴散速率(也稱擴散通量),即單位時間內組分A通過垂直於濃度梯度方向的單位截面擴散的物質量為:JA=-DABΔCA
式中負號表示物質A向濃度減小的方向傳遞;DAB為組分A在組分B中的分子擴散係數;ΔCA為濃度CA的梯度。如果CA僅沿x方向變化,則簡化為:
分子擴散

  分子擴散

此式類似於熱量傳遞中的傅里葉定律(見熱傳導)和動量傳遞中的牛頓粘性定律(見粘性流體流動)。

3多孔介質中的擴散

物質在多孔介質中的擴散,根據孔道的大小、形狀以及流體的壓強不同分為三類情況(見圖)。①容積擴散。當毛細管孔道直徑遠大於分子平均自由程 憳,即(憳/2r)≤(1/100)(r為毛細孔道的平均半徑)時,在分子的運動中主要發生分子與分子間的碰撞,分子與管壁的碰撞所佔比例很小。其擴散機理與分子擴散相同,故也稱分子擴散。孔內所含流體的分子擴散,仍可用斐克定律來計算;只需考慮多孔介質的空隙率ε和曲折因數τ(表示因毛細孔道曲折而增加的擴散距離),對一般的分子擴散係數加以修正。此時有效擴散係數為:
分子擴散

  分子擴散

②克努森擴散。如氣體壓強很低或毛細管孔徑很小,氣體分子平均自由程遠大於毛細孔道直徑,即(憳/2r)≥10,這就使分子與壁面之間的碰撞機會大於分子間的碰撞機會。此時,物質沿孔擴散的阻力主要取決於分子與壁面的碰撞。根據氣體分子運動論,可以推導出克努森擴散係數:
分子擴散

  分子擴散

式中r為毛細孔道的平均半徑;T為絕對溫度;mA為組分A的分子量。③過渡區擴散。物質在毛細管中的運動情況介於上述分子擴散與克努森擴散之間,擴散係數為:
分子擴散

  分子擴散

此式中如果1/Dkp項可以忽略,則擴散為分子擴散;如果1/DABp項可以忽略,則擴散為克努森擴散。

4熱擴散

溫度梯度加於靜止的氣體或液體混合物時,一種分子趨向高
分子擴散

  分子擴散

溫區,另一種趨向低溫區,從而在混合物內產生濃度梯度,這種現象又稱為沙萊特效應。在兩組分混合物中,給定組分A的熱擴散通量用下式表示:
分子擴散

  分子擴散

式中DT為熱擴散係數;T為絕對溫度;ρ為流體密度。熱擴散係數取決於分子的尺度和化學本質,其值常常比分子擴散係數小得多,很少大於分子擴散係數的30%。因此,除非在溫度差很大且流體嚴格保持層流時,熱擴散在大多數的傳質操作中並不重要。
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