Διαφορά μεταξύ σταθερής κατάστασης και διάχυσης ασταθούς κατάστασης

Κύρια διαφορά – Διάχυση σταθερής κατάστασης έναντι διάχυσης μη σταθερής κατάστασης

Σε οποιαδήποτε θερμοκρασία που είναι διαφορετική από το απόλυτο μηδέν, όλα τα άτομα μιας ουσίας (σε αέριο, υγρό ή στερεό) βρίσκονται συνεχώς σε κίνηση. Αυτές οι κινήσεις προκαλούν συγκρούσεις μεταξύ τους. Λόγω αυτών των συγκρούσεων, η κίνηση των σωματιδίων φαίνεται ζιγκ-ζαγκ. Ωστόσο, είναι παρατηρήσιμο ότι τα σωματίδια σε υψηλή συγκέντρωση τείνουν να κινούνται προς μια χαμηλότερη συγκέντρωση σε μια βαθμίδα συγκέντρωσης γνωστή ως διάχυση. Η διάχυση μπορεί να χωριστεί σε δύο τύπους, όπως διάχυση σταθερής κατάστασης και διάχυση ασταθούς κατάστασης. Η κύρια διαφορά μεταξύ της διάχυσης σταθερής κατάστασης και της διάχυσης ασταθούς κατάστασης είναι ότι η διάχυση σταθερής κατάστασης λαμβάνει χώρα με σταθερό ρυθμό, ενώ ο ρυθμός διάχυσης σε ασταθή κατάσταση είναι συνάρτηση του χρόνου. Και οι δύο αυτοί τύποι μπορούν να περιγραφούν ποσοτικά από τους νόμους του Fick.

Βασικές περιοχές που καλύπτονται

1. Τι είναι η διάχυση σταθερής κατάστασης
     – Ορισμός, σχέση με τον πρώτο νόμο του Fick
2. Τι είναι η διάχυση αστάθειας κατάστασης
     – Ορισμός, σχέση με τον πρώτο και δεύτερο νόμο του Fick
3. Ποια είναι η διαφορά μεταξύ της σταθερής κατάστασης και της διάχυσης αστάθειας
     – Σύγκριση βασικών διαφορών

Βασικοί όροι:συγκρούσεις, διάχυση, νόμος του Fick, διάχυση σταθερής κατάστασης, διάχυση αστάθειας κατάστασης

Τι είναι η Steady State Diffusion

Η διάχυση σταθερής κατάστασης είναι μια μορφή διάχυσης που λαμβάνει χώρα με σταθερό ρυθμό. Εδώ, ο αριθμός των γραμμομορίων σωματιδίων που διασχίζουν μια δεδομένη διεπαφή είναι σταθερός με το χρόνο. Επομένως, σε όλο το σύστημα, ο ρυθμός μεταβολής της συγκέντρωσης με την απόσταση (dc/dx) είναι σταθερή τιμή και η μεταβολή της συγκέντρωσης με το χρόνο είναι μηδέν (dc/dt).

Για σταθερή κατάσταση,

dc/dx =σταθερό

dc/dt =0

Όπου dc είναι μια αλλαγή στη συγκέντρωση, dx είναι μια μικρή απόσταση και dt είναι μια μικρή χρονική περίοδος.

Εικόνα 1:Διάχυση

Ο πρώτος νόμος του Φικ προσδιορίζει ποσοτικά τόσο τη διάχυση σταθερής κατάστασης όσο και τη διάχυση σε ασταθή κατάσταση. Ο πρώτος νόμος του Fick λέει ότι η διάχυτη ροή είναι ευθέως ανάλογη με την υπάρχουσα κλίση συγκέντρωσης και μπορεί μαθηματικά να δοθεί ως,

J   =   -D (dϕ/dx)

Στο οποίο,

• Το J είναι η ροή διάχυσης. Η διάστασή του είναι η ποσότητα της ουσίας ανά μονάδα επιφάνειας ανά μονάδα χρόνου και η μονάδα είναι mol ms.
• D είναι ο συντελεστής διάχυσης. Είναι επίσης γνωστό ως διάχυση. Η διάσταση αυτού του στοιχείου είναι εμβαδόν ανά μονάδα χρόνου, επομένως η μονάδα είναι m/s.
• ϕ είναι η συγκέντρωση. Δίνεται από τη μονάδα mol/m.
• x είναι η θέση μιας διαλυμένης ουσίας. Η διάσταση για αυτό το στοιχείο είναι το μήκος. Δίνεται από τη μονάδα m.

Τι είναι η Διάχυση Αστάθειας Κατάστασης

Η διάχυση ασταθούς κατάστασης ή διάχυση μη σταθερής κατάστασης είναι μια μορφή διάχυσης στην οποία ο ρυθμός διάχυσης είναι συνάρτηση του χρόνου. Αυτό σημαίνει ότι ο ρυθμός διάχυσης εξαρτάται από το χρόνο. Επομένως, ο ρυθμός συγκέντρωσης με την απόσταση (dc/dx) δεν είναι σταθερός και η μεταβολή της συγκέντρωσης με το χρόνο δεν είναι μηδέν.

Για ασταθή κατάσταση,

dc/dx =ποικίλλει ανάλογα με το χρόνο

dc/dt  ≠ 0

Όπου dc είναι μια αλλαγή στη συγκέντρωση, dx είναι μια μικρή απόσταση και dt είναι μια μικρή χρονική περίοδος.

Ο δεύτερος νόμος του Fick προσδιορίζει ποσοτικά τη διάχυση της ασταθούς κατάστασης. Ο δεύτερος νόμος της διάχυσης του Fick χρησιμοποιείται για να προβλέψει πώς η συγκέντρωση αλλάζει με το χρόνο που συμβαίνει η διάχυση. Δίνεται από μια εξίσωση μερικής διαφοροποίησης όπως παρακάτω.

δϕ/δt   =D  δϕ/δx

Στο οποίο,

• ϕ είναι η συγκέντρωση (μια διάσταση που εξαρτάται από τον χρόνο και την τοποθεσία (x)).
• t είναι ο χρόνος (δίνεται από το s)
• D είναι ο συντελεστής διάχυσης.
• X είναι η θέση (δίνεται από τις διαστάσεις του μήκους).

Ως εκ τούτου, η ασταθής κατάσταση διατυπώνεται ως εξίσωση μερικής διάχυσης.

Διαφορά μεταξύ διάχυσης σταθερής κατάστασης και αστάθειας κατάστασης

Ορισμός

Διάχυση σταθερής κατάστασης: Η διάχυση σταθερής κατάστασης είναι μια μορφή διάχυσης που λαμβάνει χώρα με σταθερό ρυθμό.

Αστάθεια κατάσταση Διάχυση: Η διάχυση ασταθούς κατάστασης ή διάχυση μη σταθερής κατάστασης είναι μια μορφή διάχυσης στην οποία ο ρυθμός διάχυσης είναι συνάρτηση του χρόνου.

Ρυθμός διάχυσης

Διάχυση σταθερής κατάστασης: Ο ρυθμός διάχυσης είναι σταθερός για τη διάχυση σταθερής κατάστασης.

Αστάθεια κατάσταση Διάχυση: Ο ρυθμός διάχυσης δεν είναι σταθερός για διάχυση ασταθούς κατάστασης. Διαφέρει ανάλογα με το χρόνο.

Εξάρτηση από τον χρόνο

Διάχυση σταθερής κατάστασης: Η διάχυση σταθερής κατάστασης δεν μεταβάλλεται με το χρόνο.

Αστάθεια κατάσταση Διάχυση: Η διάχυση ασταθούς κατάστασης είναι συνάρτηση του χρόνου (αλλάζει με το χρόνο).

Σχέση με τους νόμους του Fick

Διάχυση σταθερής κατάστασης: Η σταθερή κατάσταση μπορεί να προσδιοριστεί ποσοτικά από τον πρώτο νόμο του Fick.

Αστάθεια κατάσταση Διάχυση: Η διάχυση ασταθούς κατάστασης μπορεί να προσδιοριστεί ποσοτικά από τον πρώτο και τον δεύτερο νόμο του Fick.

Συμπέρασμα

Η διάχυση σταθερής κατάστασης και η διάχυση ασταθούς κατάστασης είναι δύο τύποι διάχυσης. Και οι δύο αυτοί τύποι μπορούν να περιγραφούν ποσοτικά από τους νόμους του Fick. Η κύρια διαφορά μεταξύ της διάχυσης σταθερής κατάστασης και της διάχυσης ασταθούς κατάστασης είναι ότι η διάχυση σταθερής κατάστασης λαμβάνει χώρα με σταθερό ρυθμό ενώ ο ρυθμός διάχυσης σε ασταθή κατάσταση είναι συνάρτηση του χρόνου.

Αναφορά:

1. "Μηχανισμοί διάχυσης." Κεφάλαιο 5. Διάχυση, Διαθέσιμο εδώ.
2. "Ιξωδοελαστική (Μη Φικιανή) Διάχυση." The Canadian Journal of Chemical Engineering, τομ. 83, Δεκ. 2005, σελ. 913–915., Διαθέσιμο εδώ.
3. «Πολυφυσική Κυκλοπαίδεια». COMSOL, Διαθέσιμο εδώ.