Forskjellen mellom Fickian og Non Fickian Diffusion

Hovedforskjell - Fickian vs Non Fickian Diffusion

Diffusjon er bevegelsen av molekyler fra en region med høy konsentrasjon til en region med lav konsentrasjon. Med andre ord beveger molekylene seg gjennom en konsentrasjonsgradient. Derfor vil faktorene som påvirker konsentrasjonsgradienten også påvirke diffusjonen. Imidlertid er diffusjonen som foregår i faste stoffer som polymerer svært forskjellig fra væsken og gassen. Ficks lover er et sett med ligninger som kan brukes til å forklare diffusjonen i faststoffer. Fickian og Non Fickian Diffusion er to former for diffusjon som er beskrevet ved hjelp av Ficks lover. Fickian diffusjon adlyder de fickiske lovene mens ikke-Fickian diffusjon ikke overholder de fickiske lovene. Hovedforskjellen mellom Fickian og Non Fickian Diffusion er tilstedeværelsen eller fraværet av grenser; Det er ingen grenser for Fickian diffusjon, mens ikke-Fickian diffusjon har en skarp grense som skiller den høyt svulmede regionen fra en tørr, glassaktig region.

Nøkkelområder dekket

1. Hva er Ficks lover
- Forklaring, Første lov, Andre lov
2. Hva er Fickian Diffusion
- Definisjon, Forklaring
3. Hva er Non Fickian Diffusion
- Definisjon, forskjellige typer
4. Hva er forskjellen mellom Fickian og Non Fickian Diffusion
- Sammenligning av nøkkelforskjeller

Nøkkelvilkår: Diffusjon, diffusivitet, Fickian Diffusion, Ficks første lov, Ficks andre lov, Non Fickian Diffusjon, Stress, Hevelse

Hva er Ficks lover

Ficks diffusjonslover ble introdusert av Adolf Fick i 1855. Disse lovene gir den enkleste beskrivelsen av diffusjon. Det er to Ficks lover som angitt nedenfor.

Den molare strømningen gjennom et enhetsareal av materialet er proporsjonal med konsentrasjonsgradienten.
Konsentrasjonen endres som en funksjon av tid til forandring i fluss i forhold til posisjon.

Fick sin første lov

Ifølge Ficks første lov er molarflussen (strømning av løsemiddel) gjennom et enhetlig areal av materialet proporsjonalt med konsentrasjonsgradienten. Her er proporsjonalitetskonstanten kjent som diffusjonskoeffisient. Diffusjon er bevegelsen av komponenter fra en høy konsentrasjon til en lav konsentrasjon over en konsentrasjonsgradient. Dette er den enkle ideen om Ficks første lov. Loven kan gis i en matematisk ligning som;

J = -D (dφ / dx)

J er diffusjonsstrømmen; dens dimensjon er mengden av stoff per enhet per time per enhet; Derfor er enheten mol m^-2 s^-1.

D er diffusjonskoeffisienten. Det er også kjent som diffusiviteten. Dimensjonen til denne komponenten er areal pr. Tidsenhet; derfor er enheten m²/ s.

Φ er konsentrasjonen. Den er gitt av enheten mol / m³.

x er posisjonen til et løsemiddel. Dimensjonen for denne komponenten er lengde. Den er gitt av enheten m.

Diffusjonskoeffisient er proporsjonal med følgende faktorer.

Squared Velocity Of The Diffusing Particles
Temperatur
Viskositet av væsken
Størrelse av partikler

Fick sin andre lov

Ficks andre lov om diffusjon brukes til å forutsi hvordan konsentrasjonen endres med tiden når diffusjon oppstår. I følge Ficks andre lov endres konsentrasjonen som en funksjon av tiden til forandringen i fluss med hensyn til posisjon. Den er gitt ved en delvis differensieringsligning som nedenfor.

δφ / δt = D δ²φ / Ax²

φ er konsentrasjonen (en dimensjon som avhenger av tid og sted (x)).

t er tid (gitt av s)

D er diffusjonskoeffisienten.

X er posisjonen (gitt av dimensjoner av lengden).

Ovenstående ligning er gitt for diffusjon i en dimensjon. For to eller flere dimensjoner er mer komplekse ligninger gitt.

Hva er Fickian Diffusion

I gasser og væsker gir diffusjon ikke et stressfelt. Men i faste stoffer oppstår et spesielt stress på grunn av tilstedeværelsen av hevelseinntrengere. Dette stresset kan forårsake selv sprekker, som med andre ord induseres morfologiske endringer. Da kan disse hevelse- og stressfeltene påvirke diffusjonen. Effektene av hevelse og stress kan være:

gjennom morfologiske endringer
gjennom løselighetsendringer
gjennom endring av diffusivitet (det avhenger av stress)
gjennom stressavhengighet av strømmen.

Et grunnleggende kriterium for Fickian diffusjon er at overflatekonsentrasjonen oppnår sin likevektsverdi umiddelbart etter en forandring i forholdene og forblir konstant gjennom sorptorprosessen. For eksempel, i et harpiksmatrisesystem må polymerkjedetsegmentene på overflaten øyeblikkelig nå metning.

Fickian diffusjon observeres sjelden for transport av en væske gjennom en glassaktig polymer. Hvis masseopptaket M i utgangspunktet kan representeres av,

M = ktⁿ

t er tiden, og k og n er konstanter for Fickian diffusjon, n = ½.

Hva er Non Fickian Diffusion

Non Fickian diffusjon er diffusjonen som oppstår uten å overholde Ficks diffusjonslover. I 1946 ble begrepet ikke-Fickian diffusjon fremmet under diskusjonen om svelling og krymping av Faraday Society. Dette konseptet antyder at i noen polymersystemer eksisterer skarpe grenser som beveger seg lineært med tiden mellom de hovne og ikke-svulmede områdene. Etter ca 20 år heter Alfrey dette som "Case II diffusion" som nå er anerkjent som en type ikke-Fickian diffusjon. Det finnes fire typer ikke-Fickian diffusjon som angitt nedenfor.

Klassisk diffusjon
Sigmoidal diffusjon
Case II diffusjon
To-trinns diffusjon

Hvis masseopptaket M i utgangspunktet kan representeres av,

M = ktⁿ

t er tiden, og k og n er konstanter, så kan følgene følges.

Verdi av n for sigmoidal (anomaløs) diffusjon kan gis ved: ½ < n < 1.
Verdien av n for tilfelle II diffusjon er 1.

Figur 1: Molekylær diffusjon

Funksjoner av Non Fickian Diffusion

En skarp grense som skiller den svært hovne regionen fra en tørr, glassaktig region
Den skarpe fronten beveger seg inn i polymeren med en konstant hastighet, noe som fører til at mengden av væske absorbert øker lineært med tiden
En liten Fickian forløper finnes i tørrområdet foran forsiden
Det er en innledende induksjonstid, hvor den skarpe grensen er etablert nær filmoverflaten.

Forskjellen mellom Fickian og Non Fickian Diffusion

Definisjon

Fickian diffusjon: Fickian diffusjon er en form for diffusjon som overholder Fickian lovene.

Ikke Fickian Spredning: Ikke-Fickian diffusjon er noen form for diffusjon som ikke overholder de fickiske lovene.

Verdi av n i Mass Opptaksligning

Fickian diffusjon: For Fickian diffusjon, n = ½ i ligningen for masseopptak.

Ikke Fickian Spredning: Verdi av n for sigmoidal (anomaløs) diffusjon kan gis ved: ½ < n < 1 and for case II diffusion value of n is 1.

Tilstedeværelse av grenser

Fickian diffusjon: Ingen grenser kan observeres i Fickian diffusjon.

Ikke Fickian Spredning: En skarp grense som skiller den svært svulmede regionen fra en tørr, glassaktig region, kan observeres i ikke-Fickian diffusjon.

Bevegelse av Sharp Front

Fickian diffusjon: En skarp front er fraværende i Fickian diffusjon.

Ikke Fickian Spredning: Den skarpe fronten i ikke-Fickian diffusjon beveger seg inn i polymeren med konstant hastighet, hvilket forårsaker at mengden av væske absorbert øker lineært med tiden

Konklusjon

Fickian og non-Fickian diffusjon er to former for diffusjon. Fickian diffusjon kan forklares ved hjelp av Fick's lov, men ikke ikke Fickian diffusjon. Hovedforskjellen mellom Fickian og Non Fickian Diffusion er at Fickian diffusjon følger de fickiske lover, mens ikke-Fickian diffusjon ikke overholder Fickian lover.

Henvisning:

1. "Viskoelastisk (Non Fickian) Diffusjon." Den kanadiske Journal of Chemical Engineering, vol. 83, Des. 2005, s. 913-915., Tilgjengelig her.
2. "Multiphysics Cyclopedia." COMSOL, tilgjengelig her.
3. "Ficks diffusjonslover." Wikipedia, Wikimedia Foundation, 22. januar 2018, Tilgjengelig her.

Bilde Courtesy:

1. "DiffusionMicroMacro" Av Sbyrnes321 - Eget arbeid (Public Domain) via Commons Wikimedia

Vitenskap