Differenza tra diffusione fickiana e non fickiana

Differenza principale - Diffusione Fickian vs Non Fickian

La diffusione è il movimento di molecole da una regione ad alta concentrazione a una regione a bassa concentrazione. In altre parole, le molecole si muovono attraverso un gradiente di concentrazione. Pertanto, i fattori che influenzano il gradiente di concentrazione influenzeranno anche la diffusione. Tuttavia, la diffusione che avviene in sostanze solide come i polimeri è molto diversa da quella dei liquidi e dei gas. Le leggi di Fick sono un insieme di equazioni che possono essere utilizzate per spiegare la diffusione nei solidi. Diffusione di Fickian e Non Fickian sono due forme di diffusione che sono descritte usando le leggi di Fick. La diffusione di Fickian obbedisce alle leggi di Fickian mentre la diffusione non Fickian non obbedisce alle leggi di Fickian. La principale differenza tra Fickian e Non Fickian Diffusion è la presenza o l'assenza di confini; non ci sono confini nella diffusione di Fickian mentre la diffusione non Fickian ha un confine netto che separa la regione molto gonfia da una regione secca e vetrosa.

Aree chiave coperte

1. Quali sono le leggi di Fick
     - Spiegazione, Prima legge, Seconda legge
2. Cos'è Fickian Diffusion
     - Definizione, spiegazione
3. Cos'è la diffusione non fickiana
      - Definizione, diversi tipi
4. Qual è la differenza tra diffusione Fickiana e Non Fickiana
     - Confronto tra le principali differenze

Termini chiave: Diffusione, Diffusività, Diffusione di Fickian, Prima legge di Fick, Seconda legge di Fick, Diffusione non di Fickian, Stress, Gonfiore

Quali sono le leggi di Fick

Le leggi di diffusione di Fick furono introdotte da Adolf Fick nel 1855. Queste leggi forniscono la più semplice descrizione della diffusione. Ci sono due leggi di Fick come indicato di seguito.

1. Il flusso molare attraverso un'area unitaria del materiale è proporzionale al gradiente di concentrazione.
2. La concentrazione cambia in funzione del tempo al cambiamento di flusso rispetto alla posizione.

La prima legge di Fick

Secondo la prima legge di Fick, il flusso molare (flusso di soluto) attraverso un'area unitaria del materiale è proporzionale al gradiente di concentrazione. Qui, la costante di proporzionalità è nota come coefficiente di diffusione. La diffusione è il movimento di componenti da una concentrazione elevata a una bassa concentrazione attraverso un gradiente di concentrazione. Questa è la semplice idea della prima legge di Fick. La legge può essere data in un'equazione matematica come;

J = -D (dφ / dx)

J è il flusso di diffusione; la sua dimensione è la quantità di sostanza per unità di superficie per unità di tempo; quindi l'unità è mol m^-2 S^-1.

D è il coefficiente di diffusione. È anche conosciuto come diffusività. La dimensione di questo componente è l'area per unità di tempo; quindi l'unità è m²/S.

Φ è la concentrazione. È dato dall'unità mol / m³.

x è la posizione di un soluto. La dimensione per questo componente è la lunghezza. È dato dall'unità m.

Coefficiente di diffusione è proporzionale ai seguenti fattori.

• Velocità quadrata delle particelle diffuse
• Temperatura
• Viscosità del fluido
• Dimensione delle particelle

La seconda legge di Fick

La seconda legge di diffusione di Fick viene utilizzata per prevedere come la concentrazione cambia nel tempo in cui si verifica la diffusione. Secondo la seconda legge di Fick, la concentrazione cambia in funzione del tempo al cambiamento di flusso rispetto alla posizione. È dato da una equazione di differenziazione parziale come sotto.

δφ / δt = D δ²φ / AX²

φ è la concentrazione (una dimensione che dipende da tempo e luogo (x)). 

t è tempo (dato da s)

D è il coefficiente di diffusione.

X è la posizione (data dalle dimensioni della lunghezza).

L'equazione di cui sopra è data per diffusione in una dimensione. Per due o più dimensioni, vengono fornite equazioni più complesse.

Cos'è Fickian Diffusion

Nei gas e nei liquidi, la diffusione non crea un campo di stress. Ma nei solidi, si crea uno stress particolare dovuto alla presenza di rigonfianti penetranti. Questo stress può causare anche crepe, che in altre parole, i cambiamenti morfologici sono indotti. Quindi questi campi di gonfiore e stress possono influenzare la diffusione. Gli effetti di gonfiore e stress possono essere:

• attraverso cambiamenti morfologici
• attraverso cambiamenti di solubilità
• attraverso la modifica della diffusività (dipende dallo stress)
• attraverso la dipendenza dallo stress del flusso.

Un criterio fondamentale della diffusione di Fickian è che la concentrazione superficiale raggiunge il suo valore di equilibrio immediatamente dopo un cambiamento delle condizioni e rimane costante attraverso il processo di assorbimento. Ad esempio, in un sistema di matrice di resina, i segmenti di catena polimerica sulla superficie devono raggiungere istantaneamente la saturazione.

La diffusione di Fickian è raramente osservata per il trasporto di un liquido attraverso un polimero vetroso. Se l'assorbimento di massa M può inizialmente essere rappresentato da,

M = ktⁿ

t è il tempo e k e n sono costanti per la diffusione di Fickian, n = ½.

Cos'è la diffusione non fickiana

La diffusione non Fickiana è la diffusione che avviene senza obbedire alle leggi della diffusione di Fick. Nel 1946, il concetto di diffusione non Fickian fu portato avanti durante la discussione sul gonfiore e la contrazione della Faraday Society. Questo concetto afferma che in alcuni sistemi polimerici esistono confini netti che si muovono linearmente con il tempo tra le regioni gonfie e non gonfie. Dopo circa 20 anni, Alfrey lo chiamò "diffusione del caso II" che è ora riconosciuto come una diffusione non di tipo Fickian. Ci sono quattro tipi di diffusione non Fickian come indicato di seguito.

1. Diffusione classica
2. Diffusione sigmoidale
3. Diffusione di Case II
4. Diffusione in due fasi

 Se l'assorbimento di massa M può inizialmente essere rappresentato da,

M = ktⁿ

t è il tempo, e k e n sono costanti, quindi i seguenti possono essere previsti.

• Il valore di n per la diffusione sigmoidale (anomala) può essere dato da: ½ < n < 1.
• Il valore di n per la diffusione del caso II è 1.

Figura 1: Diffusione molecolare

Caratteristiche di Non Fickian Diffusion

• Un confine netto che separa la regione molto gonfia da una regione secca e vetrosa
• Il fronte affilato si muove nel polimero con una velocità costante, facendo aumentare la quantità di fluido assorbito in modo lineare nel tempo
• Un piccolo precursore di Fickian esiste nella regione secca prima del fronte
• Esiste un tempo di induzione iniziale, durante il quale il confine nitido viene stabilito vicino alla superficie del film.

Differenza tra diffusione fickiana e non fickiana

Definizione

Fickian Diffusion: La diffusione di Fickian è una forma di diffusione che obbedisce alle leggi di Fickian.

Non Fickian Diffusione: La diffusione non Fickiana è una forma di diffusione che non obbedisce alle leggi di Fickian.

Valore di n nell'equazione di uptake di massa

Fickian Diffusion: Per la diffusione di Fickian, n = ½ nell'equazione per l'assorbimento di massa.

Non Fickian Diffusione: Il valore di n per la diffusione sigmoidale (anomala) può essere dato da: ½ < n < 1 and for case II diffusion value of n is 1.

Presenza di confini

Fickian Diffusion: Nessun confine può essere osservato nella diffusione di Fickian.

Non Fickian Diffusione: Un confine netto che separa la regione molto gonfia da una regione secca e vetrosa può essere osservato nella diffusione non Fickiana.

Movimento del fronte tagliente

Fickian Diffusion: Un fronte acuto è assente nella diffusione di Fickian.

Non Fickian Diffusione: Il fronte affilato in diffusione non Fickian si sposta nel polimero con una velocità costante, facendo aumentare la quantità di fluido assorbito in modo lineare nel tempo

Conclusione

Diffusione di Fickian e non Fickian sono due forme di diffusione. La diffusione di Fickian può essere spiegata usando la legge di Fick, ma non la diffusione di Fickian. La principale differenza tra Fickian e Non Fickian Diffusion è che la diffusione di Fickian obbedisce alle leggi di Fickian mentre la diffusione non Fickian non obbedisce alle leggi di Fickian.

Riferimento:

1. "Diffusione viscoelastica (non Fickian)." The Canadian Journal of Chemical Engineering, vol. 83, dicembre 2005, pp. 913-915., Disponibile qui.
2. "Multiphysics Cyclopedia." COMSOL, disponibile qui.
3. "Leggi di diffusione di Fick." Wikipedia, Wikimedia Foundation, 22 gennaio 2018, disponibile qui.

Cortesia dell'immagine:

1. "DiffusionMicroMacro" di Sbyrnes321 - Opera propria (dominio pubblico) via Commons Wikimedia