Закон Фика

Перенос вещества внутри фазы может происходить путем молекулярной диффузии или путем конвекции и молекулярной диффузии одновременно. Посредством одной молекулярной диффузии вещество переносится лишь в неподвижной среде.

Молекулярной диффузией называется перенос распределяемого вещества, обусловленный беспорядочным движением самих молекул. Молекулярная диффузия описывается первым законом Фика, согласно которому поток вещества, переносимый молекулярной диффузией через единицу поверхности в единицу времени (скорость молекулярной диффузии) пропорционален градиенту концентраций. Коэффициентом пропорциональности является коэффициент диффузии , м2/с.

, (1.10)

где N – поток массы, кг/м2∙с – это количество массы, переносимое через единицу поверхности в единицу времени ();

– концентрация вещества, кг/м3 (кмоль/м3);

– расстояние в направлении наискорейшего возрастания концентрации, м.

– коэффициент молекулярной диффузии, м2/с – показывает, какое количество вещества диффундирует в единицу времени через единицу поверхности при градиенте концентраций , равном единице (т.е когда на расстоянии в 1 м концентрация изменяется на единицу).

Знак «минус» перед правой частью закона Фика указывает на то, что молекулярная диффузия всегда протекает в направлении уменьшения концентрации распределяемого вещества.

Коэффициент диффузии представляет собой физическую константу, характеризующую способность данного вещества проникать вследствие диффузии в неподвижную среду. Величина D не зависит от гидродинамических условий, в которых протекает процесс.

Значения коэффициента диффузии D являются функцией свойств распределяемого вещества, свойств среды, через которую оно диффундирует, температуры и давления. Обычно величина D возрастает с повышением температуры и понижением давления (для газов). Значение D определяют по опытным данным или по теоретическим и полуэмпирическим уравнениям с учетом температуры и давления, при которых протекает процесс диффузии.

Коэффициенты диффузии газа в среду другого газа имеют значения 0,1 – 1 см2/с, а при диффузии газа в жидкость они в 104 – 105 раз меньше и составляют примерно 1 см2/сутки. Таким образом, молекулярная диффузия является медленным процессом, особенно в жидкостях.