Fenomenos de transporte (en rumano)

Post on 06-Mar-2016

214 views 0 download

description

transporte de masa, energia e impulso

Transcript of Fenomenos de transporte (en rumano)

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    1

    Fenomene de transport

    Scopul acestui capitol este acela de a analiza legile dup care se produc fenomenele de

    transport cele mai cunoscute, cum sunt nclzirea i rcirea la suprafaa Pmntului,

    formarea curenilor atmosferici i a celor oceanici, sau fabricarea jonciunilor

    semiconductoare, care stau la baza tuturor dispozitivelor electronice.

    Noiunea de transport se poate extinde, de la mrimile uzuale cum sunt substana, energia,

    sarcina electric, la mrimi mai puin obinuite, cum sunt cele caracteristice fenomenelor

    economico-sociale: transport de bani, de informaie, sau de cunotine.

    Cuprins

    I. Transportul n interpretare microscopic

    Mrimi fizice caracteristice

    II. Legile proceselor de transport

    Caracterizare macroscopic

    Fenomene de difuzie

    Fenomene de drift

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    2

    I. Transportul n interpretare microscopic

    Mrimi fizice caracteristice

    Cauzele fenomenelor de transport

    Orice sistem fizic izolat tinde s evolueze ctre stri caracterizate de proprieti constante n

    timp.

    Enunul de mai este exprim o realitate constatat n toate studiile efectuate, necontrazis de

    niciun experiment, prin urmare afirmaia a fost ridicat la rang de principiu1.

    Deoarece sistemul fizic ocup un domeniu spaial, strile (de echilibru, neperturbate) presupun,

    implicit, i faptul c proprietile trebuie s fie uniforme spaial, adic sistemul s fie omogen

    din punct de vedere al proprietii (proprietilor) aflate n studiu. Procesul de omogenizare

    spaial are loc prin transportul unei mrimi fizice n interiorul sistemului. Fenomenele de

    transport sunt explicabile pe baza structurii microscopice i sub-microscopice a sistemului

    (molecular, electronic etc.).

    Prin proces de transport se nelege procesul microscopic de modificare spaial a proprietilor

    unui sistem izolat, n tendina de a atinge starea de echilibru.

    Mrimi microscopice caracteristice

    Fie urmtorul experiment. ntr-un col al camerei se afl un flacon cu parfum. La un moment

    dat, se nltur capacul i se cronometreaz timpul dup care mirosul de parfum este perceput de

    un observator aflat n partea opus a camerei. Se constat c acest timp este de ordinul zecilor

    de secunde. Totui, imediat dup procesul de evaporare, moleculele substanei aromate ajung n

    stare de echilibru termic cu moleculele de aer din camer, deci vor fi caracterizate de aceleai

    valori ale energiei cinetice medii. Moleculele fiind comparabile ca mase, nseamn c vor avea

    viteze de acelai ordin de mrime, adic de ordinul sutelor de metri pe secund. Cei civa metri

    ai camerei ar trebui s fie parcuri de molecule n timpi de ordinul sutimilor de secund.

    Evident, n acest raionament exist o eroare, pentru c rezultatul lui nu concord cu constatrile

    experimentale.

    Singurul fapt neluat n considerare este ciocnirea

    moleculelor, n micarea lor de agitaie termic (v. fig.),

    drumul real parcurs de molecule ntre punctele A si B

    fiind mult mai lung dect cel n linie dreapt. Numrul de

    molecule dintr-un volum macroscopic de gaz, la presiune

    normal, fiind de ordinul numrului lui Avogadro (~1023

    molecule/mol), ne dm seama c numrul de ciocniri pe

    care le sufer fiecare molecul trebuie s fie imens, chiar

    ntr-un interval scurt de timp. Fiecare molecul este deviat de nenumrate ori de la traiectoria

    rectilinie. Aceasta explic de ce moleculele unui gaz i manifest prezena dup un timp mult

    1 Cunoscut sub numele de principiul fundamental.

    Drumul real parcurs de molecule

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    3

    mai lung dect cel calculat pe baza distanei dintre cele dou puncte i a vitezei medii a

    moleculelor. Modificarea traiectoriei rectilinii a moleculelor este rezultatul ciocnirilor dintre

    acestea, n cursul micrii de agitaie termic.

    n ipoteza gazului ideal, dou molecule interacioneaz

    ntre ele ca dou sfere rigide2, dependena forei de distana

    x dintre centrele moleculelor fiind cea din figur. Fora este

    nul pentru distane care depesc diametrul d al

    moleculelor i crete brusc cnd distana devine egal cu d.

    Seciunea de ciocnire i frecvena ciocnirilor

    Seciunea de ciocnire este aria cercului n interiorul cruia molecula de referin i poate atinge

    vecinii (ilustrat n figura alturat). n ipoteza c molecula

    este o sfer rigid cu raza r, seciunea este

    ciocnire=(4r)2.

    Se poate evalua frecvena ciocnirilor - numrul de ciocniri

    pe secund - suferite de o molecul de azot din aerul aflat n

    condiii standard (pres0=101325N/m2, T0=273,15K). Pentru

    aceasta, se consider c ea este o sfer rigid, cu raza

    r109m, care se va ciocni de toate moleculele aflate n

    interiorul volumului cu seciunea ciocnire=(4r)2, i

    generatoarea l=t:

    tvrnN 2ciocniri )4( ,

    unde densitatea volumic de molecule n i viteza medie de agitaie termic au fost deja

    calculate3 pentru condiiile standard:

    0B

    0

    Tk

    presn 2,651025m3,

    M

    RTv

    8468m/s.

    Rezult c frecvena ciocnirilor este

    vrnt

    N 2ciocniri )4( 468101614,31065,2 1925ciocniri

    t

    N 6,231010 s1.

    Inversul acestei mrimi reprezint intervalul de timp mediu dintre dou ciocniri consecutive,

    care este de ordinul a 14 picosecunde.

    Concluzia este aproximativ adevrat pentru orice specie molecular din aer, n sensul c

    oricare dintre acestea sufera circa zece miliarde de ciocniri n fiecare secund! Acest lucru

    explic lentoarea proceselor de transport.

    2 A se vedea fascicula Structura materiei, Cap. Interacia dintre molecule.

    3 Idem.

    Modelul sferelor rigide

    Seciunea de ciocnire

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    4

    Drumul liber mijlociu

    Prin drum liber mijlociu, notat lmed, se nelege distana medie parcurs de o molecul ntre dou

    ciocniri consecutive: acesta va fi dat de viteza medie, multiplicat cu timpul mediu dintre dou

    ciocniri consecutive.

    Pentru datele din cazul precedent, se obine

    ciocniri

    medN

    tvl

    7,5109 m, sau lmed7,5nm.

    Fenomenele de transport sunt, n esen, de dou tipuri4:

    1. Fenomene de difuzie, unde transportul se datoreaz micrii dezordonate de agitaie termic;

    aceste fenomene sunt lente.

    2. Fenomene de drift, sau de convecie, unde transportul se datoreaz unei micri ordonate,

    care se suprapune peste micarea de agitaie termic.

    Exemple

    1. Transferul de cldur, dinspre zona mai cald nspre zona mai rece a unei bare de fier cu un

    capt nclzit n foc, este un fenomen de difuzie (sau conducie) termic. De cealalt parte,

    amintim curentul electric staionar n circuitele electrice, sau curenii atmosferici, datorai

    diferenelor locale de presiune.

    2. n exemplul cu parfumul, raspndirea moleculelor aromate este un fenomen combinat, de

    difuzie i de convecie de molecule; din aceleai motive, pturile inferioare ale atmosferei sunt

    amestecuri omogene de azot (N2), oxigen (O2), vapori de ap (H2O), dioxid de carbon (CO2),

    precum i de urme de hidrogen (H2) i gaze inerte: argon (Ar), heliu (He) etc. Dac nu ar

    exista difuzia, cmpul gravitaional ar diviza atmosfera n straturi distincte. Stratul cel mai de

    jos ar fi din CO2, stratul urmtor ar fi de O2, urmtorul de N2, apoi vaporii de H2O s.a.m.d., cel

    mai sus ar trebui s fie He i H2.

    Entropia i starea de dezordine. Fenomenele de transport nu

    pot fi explicate, exclusiv, doar prin parametrii de stare

    considerai pn acum, anume presiune, volum, temperatur,

    cantitate (total) de substan, ci trebuie luate n consideraie

    informaii suplimentare, ca de exemplu natura moleculelor

    (pentru dou specii distincte, trebuie considerat, separat,

    fiecare cantitate de substan), eventual sarcina electric,

    momentul magnetic etc.

    Experimentul urmtor demonstreaz acest lucru. Un cilindru

    gros de oel este divizat n dou compartimente, dintre care cel

    de sus conine hidrogen, iar cel de jos oxigen (v. fig.), la aceeai presiune i la aceeai

    temperatur. n peretele prii superioare montm o bujie, care poate genera o scnteie

    electric. Peretele care separ gazele are o supap care poate fi deschis sau nchis, dup

    4 ntr-o teorie mai larg, ambele tipuri de transport se pot explica n mod unitar http://en.wikipedia.org/wiki/Smoluchowski_equation.

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    5

    dorin. Dac, nainte de deschiderea supapei se produce o scnteie electric n gaz

    (hidrogen), aceasta nu va conduce la explozia amestecului, deoarece nu exist suficient

    oxigen. Dac scnteia se produce la un timp oarecare dup deschiderea supapei, atunci

    rezultatul va fi explozia amestecului de hidrogen i oxigen, cu producerea de ap, sub

    form de vapori. Aceasta demonstreaz c moleculele de oxigen, dei mai grele, s-au

    ridicat, trecnd n compartimentul superior, n timp ce moleculele mai uoare de hidrogen

    au cobort n compartimentul inferior. Micarea gazelor s-a produs n sens contrar aciunii

    cmpului gravitaional.

    Calitativ, fenomenul este uor de explicat pe baza teoriei cinetico-moleculare a agitaiei

    termice. n micarea lor haotic, moleculele celor dou gaze se vor ciocni ntre ele,

    schimbndu-i permanent traiectoriile, astfel nct moleculele unui gaz vor penetra n

    domeniul n care se afl moleculele celuilalt gaz, pn cnd amestecarea este complet.

    Fenomenul de difuzie dureaz atta timp ct concentraiile gazelor n diferite pri ale

    vasului sunt diferite.

    Situaia descris este compatibil cu ecuaiile termice de stare, scrise separat pentru

    hidrogen i oxigen, nainte de amestecare, i cu ecuaia termic de stare a amestecului.

    nainte de amestecare (presiunile i temperaturile sunt egale):

    TkV

    NpresTk

    V

    Npres B

    O

    O

    B

    H

    H

    2

    2

    2

    2 , ,

    de unde

    22

    22

    2

    2

    2

    2

    OH

    OH

    O

    O

    H

    H

    B VV

    NN

    V

    N

    V

    N

    Tk

    pres

    .

    Reinnd extremele, se obine

    22

    22

    OH

    OH

    B VV

    NN

    Tk

    pres

    ,

    adic exact ecuaia termic de stare dup amestecare i ncetarea difuziei.

    Prin urmare, ecuaia termic de stare, singur, nu poate explica difuzia. Este nevoie de ceva

    suplimentar, care s caracterizeze cantitativ starea de dezordine din sistem pentru fiecare

    specie de molecule. Aceast mrime este entropia.

    Se pot face urmtoarele remarci despre concentraiile celor dou specii:

    nainte de amestecare, n volumul superior:

    - concentraia moleculelor de hidrogen:

    2

    2

    H

    H

    V

    N;

    - concentratia moleculelor de oxigen: zero.

    nainte de amestecare, n volumul inferior:

    - concentraia moleculelor de hidrogen: zero;

    - concentraia moleculelor de oxigen:

    2

    2

    O

    O

    V

    N.

    Dup deschiderea supapei, n volumul total, comun pentru amestecul de hidrogen i oxigen:

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    6

    - concentraia moleculelor de hidrogen: V

    N2H ;

    - concentraia moleculelor de oxigen: V

    N2O .

    Dezordinea poate fi msurat prin inversul concentraiei, adic prin volumul accesibil unei

    molecule din fiecare specie. Acesta este mai mare n starea final:

    2

    2

    2 H

    H

    H N

    V

    N

    V ,

    2

    2

    2 O

    O

    O N

    V

    N

    V .

    Evoluia natural a sistemelor este de la ordine spre dezordine. Starea de dezordine este mai

    mare dup ncetarea difuziei. Ca i disipaia, difuzia caracterizeaz evoluia ctre dezordine.

    Ambele fenomene sunt consecine ale agitaiei termice.

    II. Legile proceselor de transport

    Caracterizare macroscopic

    Un sistem fizic izolat tinde s evolueze liber (de la sine)

    ctre o stare de echilibru, caracterizat de omogenitate

    spaial a proprietilor sale. Spre exemplu, dizolvarea

    zahrului n ap este un proces de omogenizare, sub

    influena agitaiei termice (vezi figura alturat). La scar

    macroscopic, aceast tendin se exprim prin ecuaii

    care descriu cantitativ variaia mrimilor de stare asociate proprietilor aflate n studiu. Astfel

    de mrimi de stare pot fi densitatea volumic de particule, concentraia molar, densitatea

    masic, temperatura etc.

    Tinnd cont c proprietatea este analizat n tot volumul ocupat de sistemul fizic, mrimea de

    stare trebuie s fie funcie de coordonatele spaiale (x,y,z); tinnd cont c proprietatea este

    analizat n evoluia temporal, mrimea de stare trebuie s fie i funcie de timp. n concluzie,

    mrimile fizice de stare sunt funcii de spaiu i de timp, adic de (t,x,y,z). Dac se noteaz,

    generic, o astfel de mrime de stare cu , atunci (t,x,y,z). Dac ne referim doar la

    neomogeniti unidimensionale, fie aceasta x, atunci dependena se reduce la dou variabile

    (t,x).

    Gradieni

    Neomogenitile spaiale locale sunt caracterizate de gradientul mrimii fizice de stare asociat

    proprietii n discuie.

    Formal, gradientul se exprim prin derivata spaial. Deoarece trebuie fcut distincie ntre

    dependenele n raport cu fiecare variabil, este necesar utilizarea derivatelor pariale. n caz

    unidimensional, gradientul se scrie:

    Ilustrarea unui proces de difuzie

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    7

    x

    notatnotat

    Gradgradient .

    Spre exemplu, dac mrimea de stare care caracterizeaz neomogitatea este densitatea volumic

    a moleculelor n(t,x), exprimat n m3, atunci gradientul densitii volumice a moleculelor este

    x

    n

    , cu unitatea de msur

    SI

    x

    n= m

    4.

    Un sistem omogen din punct de vedere al concentraiei are gradientul nul.

    Exemplu

    n situaia ilustrat n figura alturat, la timpul t0

    se fac cinci msurtori, simultane, ale numrului

    de particule existente n cinci volume egale, la

    coordonatele x1=0cm, x2=1,5cm, x3=3,5cm,

    x4=5cm, x5=6,5cm.

    Valorile msurate sunt N(t0,0)=7particule,

    N(t0,1,5cm)=4particule, N(t0,3,5cm)=3particule, N(t0,5cm)=1particul, N(t0,6,5cm)=0particule.

    Msurtorile reale opereaz cu cantiti finite, motiv pentru care infiniii mici din matematic,

    notai prin simbolurile d sau , se noteaz acum cu , cu sensul de diferen finit,

    msurabil. Consecina este aceea c gradienii calculai sunt valori medii pe intervalele finite

    considerate. Se poate calcula gradientul (sau variaia) numrului de particule, ntre

    coordonatele succesive x1, x2, , x5:

    25,1

    74),(),(),(Grad

    12

    102010

    11

    xx

    xtNxtN

    x

    N

    x

    NxtN

    xxxx

    particule/cm;

    5,05,15,3

    43),(),(),(Grad

    23

    203020

    22

    xx

    xtNxtN

    x

    N

    x

    NxtN

    xxxx

    particule/cm.

    3,15,35

    31),(),(),(Grad

    34

    304030

    33

    xx

    xtNxtN

    x

    N

    x

    NxtN

    xxxx

    particule/cm;

    7,055,6

    10),(),(),(Grad

    45

    405040

    44

    xx

    xtNxtN

    x

    N

    x

    NxtN

    xxxx

    particule/cm.

    Se poate calcula i variaia medie pe tot intervalulul (x1, x5):

    08,105,6

    70),(),(

    15

    1050

    xx

    xtNxtN

    x

    Nparticule/cm.

    Formula de medie. A se observa c ultima valoare medie nu este altceva dect media

    valorilor anterioare, ponderat cu lungimea intervalelor. Acest lucru este normal, deoarece

    expresia este consecina formulei de medie, calculat din msurtorile disponibile:

    4

    1

    10

    15

    0

    15

    0

    15

    )(),(1

    d),(1

    d),(Grad1 5

    1

    5

    1i

    ii

    i

    i

    x

    x

    x

    x

    xxx

    xtN

    xxx

    x

    xtN

    xxxxtN

    xxx

    N ,

    sau, explicitand termenii

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    8

    )(),(),(

    )(),(),(

    )(),(),(

    )(),(),(1

    45

    45

    405034

    34

    3040

    23

    23

    203012

    12

    1020

    15

    xxxx

    xtNxtNxx

    xx

    xtNxtN

    xxxx

    xtNxtNxx

    xx

    xtNxtN

    xxx

    N

    de unde se regsete expresia cutat

    08,105,6

    70),(),(

    15

    1050

    xx

    xtNxtN

    x

    Nparticule/cm.

    Exemplu

    ntr-o camer se msoar temperatura n dou locuri: lng calorifer, unde se gsete T1=29C,

    i lng fereastr, unde termometrul indic T2=21C. Dac distana calorifer-fereastr este de

    4m (poziia caloriferului la x1=0, poziia ferestrei x2=4m), atunci gradientul de temperatur este

    12

    12Gradxx

    TT

    x

    TT

    2

    m4

    K8Grad

    T K/m.

    Semnul negativ indic faptul c temperatura descrete la creterea coordonatei spaiale. n acest

    caz, originea referenialului a fost aleas n locul unde se gsete caloriferul.

    Mrimi fizice caracteristice

    Presupunem c mrimea care se transport este notata cu F . Acesta poate fi cantitate de

    substan, energie, sarcin electric etc.

    Fluxul F al unei mrimi F se definete ca variaia lui F n unitatea de timp:

    td

    dFF .

    Echivalent, transportul lui F printr-o suprafa fix,

    sub form de flux, conduce la variaia acesteia:

    t FF

    F lui variatia

    .

    Exemplu

    Volumul de ap (mrimea fizic F ) dintr-un lac de acumulare scade cu 10m3/s din cauza unui

    flux (debit volumic) de F =10m3/s. n 10 minute, variaia volumului de ap din lac va fi

    t FF F 10m3/s 60s F 600m3, adic volumul de ap scade cu 600m3.

    Densitatea de flux JF a mrimii F prin suprafaa fix S este fluxul lui F pe unitatea de suprafa,

    orientat perpendicular pe direcia de transport:

    tSSJ

    F

    Fd

    d11

    marimii aflux de densitatea

    marimii fluxul

    FFF

    ,

    Dac mrimea F este, de exemplu, cantitatea de substan, msurat n moli, atunci unitile de

    msura sunt: pentru flux [F]=mol/s, iar pentru densitatea de flux [JF]=mols1m2.

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    9

    Observaie

    Marimile generice flux si densitate de flux trebuie nelese n sens larg, deoarece, pentru anumite

    mrimi fizice, se regsesc denumiri cunoscute, ca i notaiile consacrate istoric, care exprim

    mai bine sensul fizic:

    - Dac mrimea F este energia unei unde F=E, msurat n Joule, atunci se regsesc

    mrimi cunoscute: fluxul de energie este puterea undei E ~ P (W), iar densitatea de

    flux este intensitatea energetic a undei JE ~ IE (Wm2

    ).

    - Dac mrimea F este sarcina electric F=q, msurat n Coulombi, atunci fluxul de

    sarcin este intensitatea curentului elctric q ~ Iq (A), iar densitatea de flux este

    densitatea de curent electric Jq (Am2

    ).

    - Dac mrimea F este un volum de fluid F=V, msurat n metri cubi, atunci fluxul de

    volum este debitul volumic V ~ QV (m3/s), iar densitatea de flux este viteza de curgere

    JV ~ v (m/s).

    Exemplu

    Dac golirea apei din lacul de acumulare din exemplul anterior se face printr-o conduct cu aria

    seciunii S=1m2, atunci densitatea de flux este FF S

    J1

    s

    m10

    m1

    1 3

    2FJ

    s

    m10FJ .

    Ecuaia general de transport

    Cauza care determin transportul este neomogenitatea proprietii sistemului, exprimat, formal,

    prin gradient. Transportul are loc pn cnd gradientul mrimii de stare, asociat proprietii

    aflate n studiu, se anuleaz.

    Densitatea de flux a mrimii transportate JF este proporional cu gradientul mrimii de stare F

    care caracterizeaz neomogenitatea:

    stare de marimii gradientulflux de densitate

    xDJ

    FFF . (T)

    Coeficientul de proportionalitate DF depinde de proprietile entitii transportate, de

    proprietile mediului n care are loc transportul, precum i de temperatur. La scar

    microscopic, este funcie de seciunile de ciocnire i de vitezele de agitaie termic.

    Observaie

    Dei au legtur ntre ele, deoarece se refer la proprietatea F, mrimile JF si F sunt diferite:

    cea dinti este o mrime de stare, care exprim neomogenitatea, iar cea de-a doua este o mrime

    de proces, care exprim transportul. Spre exemplu, neomogenitatea temperaturii determin un

    transport de energie, sub form de flux de cldur. Temperatura este mrimea de stare, iar

    cldura este mrimea de proces. Sau, o neomogenitate a concentraiei determin un transport de

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    10

    substan, sub form de flux de particule. Concentraia este mrimea de stare, iar fluxul de

    substan este mrimea de proces.

    Iat cteva corespondene dintre mrimea de stare F, care exprim neomogenitatea, i mrimea

    de proces F, care caracterizeaz transportul:

    Mrimea care se transporta F Mrimea de stare F Marimea de proces F

    Numr de particule, N Densitate volumic de particule, n Flux de particule, n

    Cantitate de substan, Concentraie molara, c Flux molar,

    Mas de substan, m Densitate masic, m Flux (debit) masic, m

    Energie cinetica medie de agitaie

    termic Temperatur, T Putere (flux termic), PQ

    Sarcin electric, q Potenial electric, V Curent electric, Iq

    n continuare, ecuaia generala de transport (T) va fi aplicat pentru procese particulare de

    difuzie i de drift.

    Fenomene de difuzie

    Difuzia este cazul cel mai reprezentativ al fenomenelor de transport. Difuzia nu are sens fr

    existena agitaiei termice.

    Difuzia substanei

    Difuzia este fenomenul de egalizare a concentraiei unei substane, cnd este amestecat cu alt

    substan.

    Difuzia este observat att n gaze i lichide, ct i n solide5. Fluxurile care intervin sunt fluxuri

    de particule, fluxuri molare, sau fluxuri masice. Difuzia substanei se poate exprima n trei

    moduri asemanatoare, n care diferenele sunt formale, fiind date de modul n care este

    exprimat densitatea volumic de substan (concentraia): difuzia de particule, difuzia molar,

    i difuzia masic.

    Difuzia particulelor

    Densitatea fluxului de difuzie a particulelor JN este proporional cu gradientul densitii de

    particule n:

    x

    nDJN

    . (Dif)

    Unitatile de msur sunt: [JN]SI=m2s1, [n]SI=m

    3, iar pentru coeficientul de difuzie [D]SI=m

    2/s.

    5 A se vedea http://en.wikipedia.org/wiki/File:Chemical_surface_diffusion_slow.gif

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    11

    Semnul minus indic faptul c fluxul de difuzie este orientat n sensul descreterii concentraiei

    particulelor. Aa cum arat experimentul descris, difuzia const din transferul unui component

    al unui amestec din zona de concentraie mare spre zona unde de concentraie mic, adic

    transportul densitatea de flux are direcia i sensul n care se reduce concentraia. Cu ct

    diferena de concentraie este mai mare (gradient mai mare), cu att fluxul de difuzie este mai

    mare (n valori absolute).

    Ecuaia difuziei este mai uor utilizabil sub forma urmtoare:

    x

    nSDN

    . (Dif )

    n aplicaiile practice, inclusiv n programele de calculator, n locul formelor difereniale se

    folosesc diferenele finite:

    x

    nSDN

    .

    Exemplu

    n cazul difuziei la presiune atmosferic, procesul este lent. Vom exemplifica acest lucru,

    presupunnd c un balon cu volumul V=10m3, confecionat din aluminiu cu grosimea de

    d=2mm, plin cu heliu (He), la presiunea de o atmosfera (i temperatura de 273,15K), are un por

    cu sectiunea de S=0,5mm2, astfel c heliul difuzeaz n atmosfer (i reciproc, amestecul de

    specii moleculare din aer difuzeaz n sens invers, spre interiorul balonului). Coeficientul de

    difuzie a heliului n aer este D=5,4105 m2/s.

    Fluxul de molecule de heliu este intext

    intext

    xx

    nnSDN

    , unde

    ext i int se refer la exteriorul, respectiv interiorul

    balonului. Densitatea de molecule de heliu din exterior este

    nul next=0, iar cea din interior a mai fost calculat, pentru

    condiiile standard nint=2,651025

    m3

    ; prin urmare fluxul de

    heliu din interior spre exterior este

    16

    3

    2557int 1058,3

    102

    1065,2104,5105

    0

    d

    nSDN molecule/s.

    n timp, concentraia de heliu din interior va scdea; totui, ct timp variaiile rmn mici, de

    exemplu, n limita de 1%, se poate face aproximaia c nint rmne constant. Se poate calcula

    timpul dup care iese o fraciune de 1% din numrul iniial de molecule de heliu din balon

    N=0,01N, sau N=0,01Vnint. Aadar:

    7

    16

    252int 104,7

    1058,3

    1065,2101001,0

    N

    nVt s, adic circa 20 000 de ore!

    Moleculele de heliu din balon sunt nlocuite de componentele aerului. Desigur, dac ar exista

    10000 de pori, timpul ar scdea la 2 ore, dar aceast estimare ar fi afectat de erori mari,

    deoarece relaiile de mai sus sunt valabile doar dac variaiile de concentraie ramn mici

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    12

    (

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    13

    Densitatea fluxului de difuzie molar J este proporional cu gradientul concentraiei molare c:

    x

    cDJ

    . (Difm)

    n acest caz, mrimea de stare este concentraia molar a substanei c, mrimea de transportat

    este numrul de moli , iar D este coeficientul de difuzie molar, DD. Unitile de msur

    sunt urmtoarele: [J]SI=molm2s1, [c]SI=mol/m

    3, [D]SI=m

    2/s.

    Pentru probleme unidimensionale, ecuaia difuziei molare se poate scrie sub formele alternative:

    x

    cSD

    ;

    x

    cSD

    t

    .

    Analog, ecuaia cu derivate pariale corespunztoare este:

    02

    2

    xD

    t.

    Difuzia masic

    innd cont c moleculele au mas, i multiplicnd relaia precedent cu masa molar, se obine

    relaia difuziei masice, cunoscut i sub numele de legea lui Fick.

    Densitatea fluxului de difuzie masic Jm este proporional cu gradientul densitii de mas m:

    xDJ mmm

    .

    Jm este fluxul masic, m este densitatea masic, iar coeficientul DmDD este acelai. Unitile

    de msur sunt [Jm]SI=kgm2s1, [m]SI=kg/m

    3, [Dm]SI=m

    2/s.

    Pentru probleme unidimensionale, ecuaia difuziei masice se poate scrie i sub formele:

    xSD mmm

    ;

    xSD

    t

    m mm

    .

    Ecuaia cu derivate pariale corespunztoare este:

    02

    2

    x

    mD

    t

    mm

    .

    Difuzia termic

    Prin conducie (difuzie) termic nelegem fenomenul de apariie a unui flux de cldur n

    sistem atunci cnd temperaturile din zone diferite ale sistemului sunt diferite. Fluxul de cldur

    apare n condiiile unei neomogeniti a temperaturii.

    Aadar, un gradient de temperatur d natere unui flux de cldur. n cest caz, procesul de

    transport este descris de relaia (cunoscuta si sub denumirea de legea lui Fourier):

    x

    TJQ

    .

    Densitatea fluxului de cldur JQ este proporional cu gradientul temperaturii T.

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    14

    JQ este cldura transferat n unitatea de timp prin unitatea de arie a suprafeei S, orientat

    perpendicular pe direcia de difuzie, iar este coeficientul de conductibilitate termic. Unitile

    de msur sunt: [JQ]SI=Wm2

    , 1

    SI

    mK

    x

    T; pentru coeficientul de conductibilitate termic

    se obine []SI=Wm1K1.

    Semnul minus arat c fluxul de cldur JQ este orientat n sens invers variaiei de temperatur,

    adic transportul de cldur se face dinspre zonele cu temperatura mai ridicat spre zonele cu

    temperatur mai redus. Fluxul de cldur conduce la uniformizarea temperaturii n cadrul

    sistemului.

    Observaie

    Procesele de difuzie sunt diferite de procesele de propagare a undelor. Putem vorbi de viteza de

    difuzie termic, la fel cum vorbim de viteza de propagare a undelor, dar fenomenele de difuzie

    nu sunt procese ondulatorii, i fluxurile termice nu au proprietile undelor. Spre exemplu,

    transferurile de cldur nu interfer, n sensul producerii de maxime i minime de

    temperatur.

    Pentru probleme unidimensionale, ecuaia difuziei termice se scrie:

    x

    TSQ

    ;

    x

    TS

    t

    Q

    ,

    unde unitile de msur sunt: [Q]SI=J, [Q]SI=W.

    Ecuatia cu derivate pariale este uor modificat fa de cele anterioare, deoarece, pentru a

    modifica temperatura cu dT, este necesar cldura dQ=mVCmdT, de unde

    02

    2

    termicatedifuzivita

    x

    T

    Ct

    T

    TD

    mm

    .

    Noua constant de proporionalitate DT, denumit difuzivitate termic, depinde att de

    coeficientul de conductibilitate termic , ct i de densitatea de mas m i de cldura

    specific masic Cm. Unitile de msura sunt [Cm]SI=Jkg1K1, [DT]SI=m

    2/s. Ecuaia este

    cunoscut i sub denumirea de ecuaia cldurii.

    Aplicaie: rezistena termic i circuitele termice.

    Analog legii lui Ohm din electricitate, se poate

    gsi o expresie echivalent pentru circuitele

    termice.

    Pentru un mediu filiform, de lungime l i

    seciune S, caracterizat de conductibilitatea

    termic , ecuaia general a difuziei termice

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    15

    x

    TSQ

    se poate rescrie, sub form aproximativ,

    l

    TSQ

    , unde T=T(x1)T(x2)

    este diferena de temperatur dintre capetele firului, iar Q este fluxul termic, cu dimensiune de

    putere (unitatea de msur este Watt). Relaia se rescrie sub forma

    thR

    TQ

    ,

    unde mrimea S

    lR

    1th este rezistena termic, [Rth]SI=K/W. Prin analogie cu legea lui Ohm

    de la circuitele electrice, elR

    UIq , rolul intensitii curentului electric (fluxul de sarcin

    electric) este luat de puterea caloric (fluxul de cldur) [Q]=W, iar tensiunea electic, sau

    variaia de potenial U=V , este nlocuit de variaia de temperatur T.

    n circuitele integrate din interiorul calculatoarelor, conexiunile dintre plcuele de siliciu i

    terminalele exterioare, care fac legturile cu placa de baz, sunt confecionate din fire de aur, cu

    diametrul de 20m i cu lungimea de ordinul l=2mm.

    Pentru dimensiunile de mai sus, i innd cont c Au=318Wm1

    K1, se obine

    14

    210

    3

    11thWK1000,2

    m10

    m102

    KWm318

    1

    R .

    Dac temperatura n interiorul circuitului integrat este de T1=80C, iar temperatura terminalului

    extern este T2=30C, cldura evacuat n unitatea de timp, prin firul de aur, este

    3

    14105,2

    WK1000,2

    K50

    Q W=2,5mW.

    Prin toate cele 100 de terminale nu s-ar putea evacua dect cel mult 250mW, cu mult sub

    necesitile de evacuare termic impuse de funcionarea corect a circuitelor integrate pe plcua

    de siliciu6, care poate ajunge la zeci de Watt, fiind necesare radiatoare termice. Tehnologiile

    circuitelor integrate tind s minimizeze tensiunile i curenii de lucru, reducnd pierderile de

    energie prin efect termic (Joule).

    Observaie

    n tehnic, n afara rezistenei termice, se mai foloseste aa numitul factorU=

    l msurat n

    m2K/W. Acesta este ntlnit n specificaiile tehnice ale geamurilor i ramelor de tip termopan.

    Aplicaie: pierderile de cldur din apartamente.

    6 n tehnologia actual de 45nm, microprocesoarele conin circa 1,5 miliarde tranzistoare.

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    16

    Crmizile ceramice actuale au un coeficient de conductibilitate termic =0,2...0,6Wm1K1,

    mai mic dect al betonului (care este de aproximativ 1,0Wm1

    K1

    ). Pentru un perete exterior, cu

    suprafaa de 16m2 i grosimea l=0,5m, considernd =0,5Wm1K1, rezistena termic este

    2

    th 1025,616

    5,0

    5,0

    1 R K/W. Dac temperatura din interior este Tint=22C, iar temperatura n

    exterior este Text=0C, puterea pierdut prin perete este .W3521025,6

    222

    th

    R

    TQ

    Pierderile printr-un geam termopan cu suprafata de 4m2, caracterizat de factorU=1,4m

    2K/W, de

    unde 35,04

    4,1Ugeamth

    S

    factorR K/W, sunt .W63

    35,0

    22

    geamth

    geam

    R

    TQ

    Prin urmare, printr-un perete prevzut cu un geam pierderile sunt de aproximativ 400W; se

    poate estima c, pentru un apartament, pierderile prin difuzie sunt de ordinul a 1kW, ceea ce

    nseamna o energie pierdut, sub form de cldur, de 24kWh20,7Mcal zilnic, sau 0,62Gcal

    lunar. Costul actual al gigacaloriei este de circa 168lei/Gcal, asadar energia pierdut ne cost

    aproximativ 104lei n fiecare lun.

    Aplicaie: o soluie nestaionar a ecuaiei cldurii.

    Sa presupunem c avem un mediu unidimensional, de lungime L

    i difuzivitate DT, care la captul x=0 este excitat de o surs

    termic periodic, cu pulsatia i cu amplitudinea T, astfel c

    T(t,0)=T0+(T)sin(t), iar la celalalt capt temperatura este constant T(t,L)=T0.

    Ecuatia cldurii 02

    2

    x

    TD

    t

    TT

    admite o soluie amortizat, de forma:

    )sin(e)(),( 0 kxtTTxtTx .

    Prin analogie cu fenomenele ondulatorii (dar diferit de acestea), variaia de temperatur

    difuzeaz cu viteza TD

    kc

    2difuzie . Mrimea

    xT e)( este amplitudinea oscilaiei,

    amortizat cu factorul TD2

    . Inversul factorului de amortizare se numete adncime de

    ptrundere

    1

    , i are semnificaia distanei la care amplitudinea scade de e ori.

    ngroparea conductelor de ap trebuie s se fac la o adncime suficient de mare, astfel ca

    acestea s nu nghee. Temperatura multianual medie este T0=12C, iar amplitudinea termic,

    la suprafaa solului, este T=Tmax,varaTmin,iarna adic T=44(20)=64K. Amplitudinea, la

    adncimea dorit, trebuie s fie suficient de atenuat nct temperatura s nu coboare sub

    temperatura de nghe, adic, la limit, /e)K64( x =12K, de unde 12

    64ln

    1

    x .

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    17

    Dac difuzivitatea solului este DT=2,8107

    m2/s, iar perioada de un an nseamn o pulsaie

    iarna-vara=2107

    rad/s, se obine =0,6m1, sau o adncime de ptrundere de 1,7m.

    Corespunztor, rezult o adncime a gropilor 8,2x m. Viteza de difuzie este extrem de mic,

    de circa 1,2mm/or! Cu ct este mai mare pulsaia, cu att este mai mare viteza de difuzie, dar i

    atenuarea. Spre exemplu, variaiile diurne difuzeaz mult mai repede (circa 2,4cm/or), dar

    adncimea lor de ptrundere este mult mai redus, de aproximativ 8,7cm.

    Teme

    Verificai faptul c soluia indicat )sin(e)(),( 0 kxtTTxtTx satisface ecuaia

    cldurii 02

    2

    x

    TD

    t

    TT

    , i regsii expresiile pentru viteza de difuzie i adncimea de

    ptrundere.

    Fenomene de drift

    Driftul de sarcin electric

    n cazul prezenei unor particule purttoare de sarcin electric, existenta unui gradient de

    potenial electric, sau tensiune electric, conduce la apariia unui flux de purttori de sarcin.

    Acest flux se poate produce i n lipsa agitaiei termice.

    Densitatea de flux de sarcina Jq este direct propoionala cu gradientul potenialului electric:

    xJq

    Vel .

    Jq este densitatea superficial de curent electric, [Jq]SI=A/m2, V este potenialul electric,

    [V]SI=V (Volt), iar el este coeficientul de conductivitate electric, [el]SI=1

    m1

    , unde

    simbolul (Ohm) este pentru unitatea de msur a rezistenei electrice.

    Daca q este sarcina electric, [q]SI=C (Coulomb), atunci sarcina transportat n unitatea de

    timp prin unitatea de suprafa, orientat perpendicular pe direcia de curgere, este

    densitatea de flux de sarcin Jq, sau densitatea superficial de curent electric:

    t

    q

    SSJ qq

    11

    electriccurent de lsuperficia densitateflux de densitate

    electric curentului eaintensitatsarcin de fluxul

    .

    Gradientul potenialului electric definete mrimea vectorial intensitatea cmpului electric

    E

    , orientat n sensul scderii potenialului electric; n cazul unidimensional

    xE

    d

    dV , [E]SI=V/m.

    Pentru probleme unidimensionale, ecuaia curentului de drift se poate scrie:

    xSq

    Vel .

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    18

    Observaie

    De cele mai multe ori driftul i difuzia de sarcin coexist. Este situaia tipic de la jonciunile

    semiconductoare, unde diferena de concentraie a purttorilor conduce la difuzia acestora i la

    un dezechilibru de potenial electric, care genereaz, la rndul sau, un curent de drift care

    echilibreaz curentul datorat difuziei. Se formeaz, astfel, bariera de potenial electric,

    caracterisic jonciunile semiconductoare.

    Aplicaie: legea lui Ohm.

    Pentru un mediu conductor cilindric, de seciune

    S i lungime l=x2x1, ntre capetele cruia exist

    o diferen de potenial V= V (x2) V (x1),

    ecuaia de transport se scrie, succesiv

    12

    12el

    )()(1

    xx

    xx

    Sq

    VV,

    lSqV

    el ,

    care este, de fapt, legea lui Ohm

    el

    notat

    R

    UIqq ,

    unde )()( 21 xxU VV este tensiunea electric, iar S

    lR

    el

    el

    1 este rezistena electric. n

    concluzie, legea lui Ohm, la scar macroscopic, se explic, microscopic, prin convecia, sau

    driftul purttorilor de sarcin electric. n metale, purttorii de sarcin electric sunt electronii7,

    fiecare electron purtnd o sarcin elementar negativ eel=1,61019

    C.

    n circuitele integrate din interiorul calculatoarelor, conexiunile dintre plcuele de siliciu i

    terminalele exterioare, care fac legturile cu placa de baz, sunt confecionate din fire de aur, cu

    diametrul de 20m i cu lungimea de ordinul l=2mm. Rezistena electric a conexiunii de aur

    este (se consider el,Au=4,51071m1)

    m142142,0

    m10

    m102

    m105,4

    1210

    3

    117elR .

    Un astfel de fir suport o densitate de curent elctric de Jq=1mA/m2; n consecin, intensitatea

    maxim a curentului electic suportat de fir este:

    SJI 314,0m

    A10m10

    2

    9210 I A=314mA.

    Cderea de tensiune pe fir este extrem de mic, de ordinul milivolului:

    7 n plasme (gaze ionizate), purttorii sunt de dou tipuri: electroni i ioni. n semiconductoare, purttorii de sarcin sunt tot de dou tipuri: electroni i goluri.

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    19

    elIRU U422 1046,41042,1A1014,3 V 0,5mV.

    Cldura degajat de fir prin efect Joule, n unitatea de timp (puterea disipat sub form de

    cldur)

    IUP Joule V1046,4A1014,3 42JouleP 1,4010

    5J=14,0W.

    Acest flux de cldur (0,014mW) este semnificativ mai mic dect cel de 2,5mW care poate fi

    evacuat de firul conductor. Altfel spus, firul de aur nu se va ncinge din cauza trecerii curentului

    electric. Dimpotriv, firul de aur contribuie la evacuarea cldurii din pastila de siliciu.

    Caracteristicile electrice i termice ale unor materiale cunoscute, la temperatura camerei.

    Material el (107 1m1) (Wm1K1)

    Aur (Au) 4,5 318

    Argint (Ag) 6,3 429

    Cupru (Cu) 6,0 401

    Aluminiu (Al) 3,8 237

    Diamant (C) ~1016

    1000-3000

    Metalele, care sunt foarte bune conductoare electrice, sunt i bune conductoare de cldur.

    Motivul este c aceiai electroni liberi, care particip la conducia electric, particip i la

    conducia termic.

    Cazul diamantului este unul special. El este foarte bun izolator electric, dar conduce extrem de

    bine cldura. n cazul lui, conducia termic nu se face prin electronii liberi care, practic, sunt

    inexisteni , ci prin alte mecanisme, care exced scopul capitolul de fa. Oricum, una dintre

    metodele cele mai rapide de a distinge diamantele de alte pietre semipreioase este proprietatea

    de a fi bun conductor termic.

    Alte procese de difuzie (extensii de studiu)

    Desi exced cerinele acestui curs de fizic, amintim aici i alte fenomene de transport, cu

    aplicaii pe pieele financiare, sau n tiinele sociale.

    Difuzia informaiei

    Informaia se msoar prin entropia informaional8, care constituie o mediere a

    informaiei pe simbol, msurat prin bit.

    Ipoteza pieei eficiente9, conform creia informaia este disponibil, instantaneu i n mod

    egal tuturor operatorilor din pia, este criticabil. Aceasta ar presupune o vitez de

    circulaie infinit, ceea ce este inacceptabil practic.

    8 http://en.wikipedia.org/wiki/Information_theory 9 http://en.wikipedia.org/wiki/Efficient_markets

  • Eugen Scarlat, Fizic Fenomene de transport Note de curs pentru Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria i Managementul Afacerilor

    20

    n realitate, orice informaie difuzeaza cu viteza finit, prin comunicare mesajelor ntre

    operatorii economici, ceea ce conduce la decizii raionale, cu scopul maximizrii

    profiturilor (spre exemplu, arbitraje). Sau, informaia despre o banc aflat n dificultate

    este tipic pentru ilustrarea rspndirii mesajului, de la agent la agent. Acest proces de

    transport se poate modela cu o ecuaie de tip difuzie pentru funcia necunoscut N(t,x,y)

    care reprezint procentul de cunosctori ai mesajului la momentul t, n coordonate

    spaiale (x,y):

    02

    2

    2

    2

    y

    N

    x

    ND

    t

    N.

    n majoritatea cazurilor, ecuaiile de difuzie sunt stocastice, adic funcia necunoscut

    este o valoare medie a unei variabile aleatorii.

    Cea mai cunoscut teorie care st la baza stabilirii preurilor10 este teoria drumului

    aleatoriu (random walk11).

    Difuzia inovaiilor

    http://en.wikipedia.org/wiki/Diffusion_of_innovations

    10 http://en.wikipedia.org/wiki/Financial_market_efficiency#Random_Walk_theory 11 http://en.wikipedia.org/wiki/Random_walk