分子扩散与菲克定律45页PPT
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菲克扩散定律菲克定律是阿道夫·菲克(Adolf F i ck)于1855年提出的,指在不依靠宏观的混合作用发生的传质现象时,描述分子扩散过程中传质通量与浓度梯度之间关系的定律。
简述:菲克定律包括两个内容:(1)早在1855年,菲克就提出了:在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量(称为扩散通量Diffusion flux,用J表示)与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比,也就是说,浓度梯度越大,扩散通量越大。
这就是菲克第一定律。
(2)菲克第二定律是在第一定律的基础上推导出来的。
菲克第二定律指出,在非稳态扩散过程中,在距离x处,浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。
菲克第一定律1858年,菲克参照傅里叶于1822年建立的热传导方程,建立了描述物质从高浓度区向低浓度区迁移的扩散方程。
在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量(称为扩散通量Diffusion flux,用J表示)与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比,也就是说,浓度梯度越大,扩散通量越大。
数学表达式如下:式中,D称为扩散系数(m²/s),C为扩散物质(组元)的体积浓度(原子数/m³或kg/m³),∂C/∂x为浓度梯度,“–”号表示扩散方向为浓度梯度的反方向,即扩散组元由高浓度区向低浓度区扩散。
扩散通量J的单位是kg / (m2·s)。
对于三维的扩散体系,作为矢量的扩散通量J可分解为x、y、z坐标轴方向上的三个分量Jx、Jy、Jz此时扩散通量可写成:其中,i、j、k表示x、y、z方向的单位矢量。
J为扩散通量,为一个三维向量场,D为扩散系数,为一个二阶张量,C为浓度,为一个数量场,▽为梯度算子。
上面两个式子为菲克第一定律的数学表达式,它是描述扩散现象的基本方程。
菲克第一定律指出:在任何浓度梯度驱动的扩散体系中,物质将沿起其浓度场决定的负梯度方向进行扩散,其扩散流大小与浓度梯度成正比。