Termoforeza

Fenomenul termoforezei , numit și termodifuzie sau efect Ludwig-Soret , constă în migrarea particulelor, imersate într-un fluid , induse de un gradient de temperatură .

Deși fenomenul este cunoscut de ceva timp, pare să aibă încă aspecte care nu sunt pe deplin înțelese și îi lipsește un tratament teoretic exhaustiv.

Legea lui Soret

Același subiect în detaliu: Legea lui Fick și Legea lui Fourier .

Termoforeza a fost observată pentru prima dată de Carl Ludwig în 1856 și apoi studiată de Charles Soret în 1897 . Fenomenul se mai numește termodifuzie, prin analogie cu procesele difuzive, doar că se datorează unui gradient de temperatură, mai degrabă decât unui gradient de concentrație.

Termodifuzia are loc într-un mediu gazos sau lichid, deși în moduri diferite. Analize recente au arătat dependențe în lichide, adesea surprinzătoare, de parametri precum salinitatea , suprafața , concentrația și greutatea moleculară . Analogiile cu electroforeză sugerează influența forțelor de suprafață și necesitatea tratamentului hidrodinamic.

Aplicarea forțelor mici, indiferent dacă acestea derivă din câmpuri electrice sau din gradienți de temperatură, poate fi descrisă prin relații liniare, chiar și pentru soluții complexe, putând descrie densitatea de curent de masă $\mathbf {j} _{m}$ ${\ displaystyle \ mathbf {j} _ {m}}$ ${\ displaystyle \ mathbf {j} _ {m}}$ suprapunerea legii lui Fick a curentului liniar datorită unui gradient de concentrație, la cea a legii lui Fourier a curentului liniar datorită unui gradient termic:

$\mathbf {j} _{m}=-{\mathcal {D}}_{m}\nabla c-c_{p}{\mathcal {D}}_{T}\nabla T$ ${\ displaystyle \ mathbf {j} _ {m} = - {\ mathcal {D}} _ {m} \ nabla c-c_ {p} {\ mathcal {D}} _ {T} \ nabla T}$ ${\ displaystyle \ mathbf {j} _ {m} = - {\ mathcal {D}} _ {m} \ nabla c-c_ {p} {\ mathcal {D}} _ {T} \ nabla T}$

unde este $c$ ${\ displaystyle c}$ $c$ este concentrația, ${\mathcal {D}}_{m}$ ${\ displaystyle {\ mathcal {D}} _ {m}}$ ${\ displaystyle {\ mathcal {D}} _ {m}}$ difuzivitatea materiei e ${\mathcal {D}}_{T}$ ${\ displaystyle {\ mathcal {D}} _ {T}}$ ${\ displaystyle {\ mathcal {D}} _ {T}}$ difuzivitatea termică . Cu toate acestea, chiar și dimensional, nu este de fapt un coeficient de difuzie, dar este mobilitatea termoforetică, deoarece viteza unei particule este pur și simplu:

$\mathbf {v} _{T}=-{\mathcal {D}}_{T}\nabla T$ ${\ displaystyle \ mathbf {v} _ {T} = - {\ mathcal {D}} _ {T} \ nabla T}$ ${\ displaystyle \ mathbf {v} _ {T} = - {\ mathcal {D}} _ {T} \ nabla T}$

Probleme deschise

Fenomenul este studiat deoarece are influențe importante în mișcările convective din amestecuri. Mai mult, scara de timp a difuziei de masă este mai mare decât cea a termodifuziei. Din acest motiv, termoforeza influențează dramatic toate procesele convective: solidificare în aliaje metalice, în lave vulcanice, în mișcări convective în mantaua pământului și în creșterea cristalelor.

O descriere microscopică detaliată a fenomenului nu a fost încă propusă. Pentru amestecurile de gaze teoria cinetică oferă unele indicații, dar nu poate fi aplicată în mod eficient lichidelor. Mai mult, complexitatea sistemului nu face încă posibilă studierea cu modele statistice, chiar și cu simulări numerice.

Majoritatea studiilor s-au concentrat pe încercarea de a valida dovezile experimentale, în special trecerea speciilor grele la partea rece. Mai mult, multe experimente arată că $D_{T}$ ${\ displaystyle D_ {T}}$ ${\ displaystyle D_ {T}}$ depinde exclusiv de cantitățile locale și microscopice ale regiunii afectate.

Termoforeza în construcții

În construcții se știe că, în prezența podurilor termice , în condițiile de iarnă, se poate determina o neomogenitate a temperaturii materialului pe suprafața internă a plăcilor sau a pereților de cărămidă . Acest fenomen apare datorită dispersiei termice mai mari a pieselor din beton armat ( grinzi , grinzi , stâlpi ), în comparație cu cele adiacente, realizate din cărămizi sau materiale similare (de exemplu, blocuri de beton pentru pereți de umplere sau blocuri de polistiren ca elemente de iluminare a cărămizii etaje ).

Neuniformitatea temperaturii suprafeței datorită termoforezei provoacă acumularea de praf în zonele cele mai reci și determină apariția liniilor pe tavan sau pereți.

Fenomenul poate fi cuantificat prin intermediul factorului de eterogenitate a temperaturii suprafeței interne s:

$s=(T_{ambiente}-t_{a})/(T_{ambiente}-t_{b})$ ${\ displaystyle s = (T_ {mediu} -t_ {a}) / (T_ {mediu} -t_ {b})}$ ${\ displaystyle s = (T_ {mediu} -t_ {a}) / (T_ {mediu} -t_ {b})}$

unde este $t_{a}$ ${\ displaystyle t_ {a}}$ ${\ displaystyle t_ {a}}$ este temperatura de suprafață a podului termic în timp ce $t_{b}$ ${\ displaystyle t_ {b}}$ ${\ displaystyle t_ {b}}$ este temperatura suprafeței rămase. Pentru a evita apariția scorului, factorul s nu trebuie să depășească 1,5 - 2.

Perspective

Înțelegerea cuprinzătoare a fenomenului necesită noi experimente și contribuții teoretice. Noile tehnici de investigație, care permit cartografierea mișcării particulelor individuale, sunt cu siguranță cele mai bune. Dacă acum, din cauza limitelor instrumentale, este dificil să se rezolve mișcarea unei singure particule cu optică cu deschidere numerică mare, este rezonabil să ne gândim cum poate fi depășită această problemă în viitor; există de fapt un interes larg pentru aceste tehnici de analiză de către multe discipline. Cunoașterea influenței agenților tensioactivi și a polielectrolitilor trebuie, de asemenea , extinsă.

Bibliografie

R. Piazza - A. Parola, Thermophoresis in coloidal suspensions , J. Phys.: Condens, Matter, 20: 1, 2008
Luigi Ranocchi - Criterii de construcție pentru pardoseli din cărămidă , secțiunea de pardoseală ANDIL
( EN ) Termoforeza în Kjelstrup, Termodinamica fără echilibru ( PDF ), pe chem.ntnu.no.

Portal de inginerie

Portalul Termodinamicii