Коэффициент диффузии и вязкость: взаимосвязь и влияние

Что такое вязкость?

 Вязкость — это сила сопротивления, которую испытывает частица против своего движения.

Вязкость ощущается во время относительного движения между двумя слоями жидкости. Это сопротивление трению, когда слои жидкости скользят друг по другу во время их движения.

https://www.youtube.com/watch?v=mG4uaQE8who

Когда жидкость используется в качестве смазки и во время транспортировки по трубопроводам, вязкость играет важную роль в определении сил, которые могут быть преодолены. В некоторых процессах, таких как покрытие поверхности, распыление, литье под давлением и т. д., вязкость определяет поток жидкости.

Почему более высокие концентрации рассеиваются быстрее?

Градиент концентрации является основным параметром механизма диффузии.

На движение частиц в растворе влияет количество молекул в определенном количестве растворителя или его концентрация в этой области. Частицы всегда имеют тенденцию перемещаться из области более высокой концентрации в область более низкой концентрации до тех пор, пока они не равномерно диффундируют в растворе.

Для этой цели не требуется никаких затрат энергии, сам градиент концентрации ведет себя как накопленная потенциальная энергия, которая усиливает движение частиц.

Что такое коэффициент диффузии?

Включая первый и второй закон Фика, коэффициент диффузии является важным параметром во многих уравнениях физики и химии.

Коэффициент диффузии изображает диффузионную подвижность: чем выше коэффициент диффузии или коэффициент диффузии вещества по сравнению с другим в паре видов, тем быстрее они смешиваются друг с другом.

Коэффициент диффузии — это параметр, который измеряет, насколько быстро одно вещество диффундирует в другое. Единицей диффузии в СИ является .

Мы можем получить математическое выражение для коэффициента диффузии из законов Фика.

Из первого закона Фика, мы знаем, что молекулы перемещаются из области более высокой концентрации в область более низкой концентрации, что означает, что это напрямую связывает диффузионный поток с градиентом концентрации.

Где J: диффузионный поток

            D: диффузионная способность

            : концентрация

             х: позиция

Из второго закона Фика, возможен расчет изменения концентрации жидкости по отношению к периоду времени.

Где, D: коэффициент диффузии

                т: время

                х: позиция

                : концентрация

Зависимость коэффициента диффузии от вязкости

На коэффициент диффузии или коэффициент диффузии (D) влияют различные факторы, одним из которых является вязкость.

Диффузия происходит из-за случайного движения частиц внутри системы, а коэффициент диффузии показывает, насколько быстро эти молекулы движутся для достижения состояния равновесия. Вязкость возникает из-за взаимодействия молекул жидкости в виде силы внутреннего трения, замедляющей общее относительное движение частиц.

Вязкость и атомная диффузия являются взаимосвязанными свойствами, которые управляют динамикой жидкости. Соотношение Стокса-Эйнштейна обычно используется для рассчитать коэффициенты диффузии атомов или молекул жидкости от вязкости и наоборот.

                         Уравнение (1)Где, J/K — постоянная Больцмана.

             D – коэффициент диффузии.

             r_{H} — его гидродинамический радиус.

              является растворителем вязкости.

             Т — абсолютная температура.

От 1),

                               Уравнение (2)

Как вязкость влияет на диффузию?

Вязкость – это параметр, определяющий скорость диффузии.

Диффузия — это распространение молекул или атомов из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией, а вязкость описывает межмолекулярное трение жидкости, которое ограничивает ее движение. Поскольку диффузия — это не что иное, как движение молекул, а вязкость — ограничение движения, поэтому вязкость напрямую влияет на диффузию.

В случае жидкости (может быть жидкостью или газом) с высокой вязкостью межмолекулярное трение или столкновение между частицами также велико, что препятствует свободному движению частиц, что приводит к низкой скорости диффузии.

С другой стороны, если жидкость менее вязкая, межмолекулярное пространство между частицами больше и они могут легче двигаться или диффундировать, скорость диффузии автоматически возрастает.

Как размер влияет на коэффициент диффузии?

Молекулярный размер диффундирующего вещества является одним из параметров, влияющих на коэффициент диффузии.

В растворе более легкие частицы быстрее, чем более тяжелые. Так что забываем, что в растворе, состоящем из частиц разного размера, они движутся с разной скоростью. Более легкая частица движется быстрее и достигает состояния равновесия за меньшее время.

Коэффициент диффузии показывает скорость диффузии или время, необходимое молекулам внутри системы для равномерного распределения. Если рассмотреть два решения Xи Y и решение X имеет больше мелких частиц по сравнению с раствором Y затем решение X достигнет состояния равновесия за более короткий промежуток времени, чем раствор Y .  

Коэффициент — диффузия — кислород
— большая энциклопедия нефти и газа, статья, страница 1

Коэффициент диффузии и зависимость концентрации

Коэффициент диффузии или константа диффузии (D) — это константа пропорциональности, встречающаяся в законе Фика, которая дает прямую связь между коэффициентом диффузии и концентрацией.

Согласно первому закону диффузии Фика, молярный поток вследствие диффузии пропорционален градиенту концентрации, где молярный поток относится к количеству вещества, протекающему через единицу площади в единичный интервал времени, а градиент концентрации представляет собой изменение значения количества .

Из первого закона Фика получаем следующее уравнение:

Где J: диффузионный поток

            D: диффузионная способность

            : концентрация

             х: позиция

Коэффициент диффузии и концентрация

Диффузия вещества происходит в основном из-за разницы концентраций в смеси или растворителе.

Более крутой градиент концентрации приводит к более быстрой диффузии в растворе. Молекулы из области с более высокой концентрацией движутся быстрее к области с более низкой концентрацией, чтобы достичь состояния равновесия.

Поскольку растворенные вещества равномерно распределяются по раствору (достигает состояния равновесия), скорость диффузии также замедляется.

Концентрация раствора – это количество одного растворенного вещества, присутствующего в определенном количестве растворителя. Например, в смеси сахара и воды количество сахара является его концентрацией. Концентрация играет решающую роль в определении многих свойств раствора.

Коэффициент диффузии связан со случайным движением растворенного вещества, которое в основном определяется разницей в концентрации в растворе.

Таким образом, мы можем сказать, что коэффициент диффузии (D) прямо пропорционален градиенту концентрации.

Коэффициент диффузии полимера и вязкость

Процесс диффузии в полимере имеет решающее значение, и скорость диффузии должна быть между твердой и жидкой.

Неньютоновские жидкости имеют большую вязкость, чем обычные жидкости, поэтому обладают низким коэффициентом диффузии..

Важно изучение миграции малых молекул в полимарном материале, например, при сушке полимарной упаковки, контролируемой доставке лекарств, образовании пленок и мембранном разделении.

Потому что это помогло бы оценить коэффициент диффузии при определенной концентрации и температуре, которые в противном случае должны быть измерены экспериментально в каждом конкретном случае.

Примеры решений задач и контрольных. молекулярная физика термодинамика №29