Где движется жидкость? Пересмотр моделей массопереноса
Комбинированные механизмы переноса имеют важное значение в биологии (перенос питательных веществ через клеточные мембраны), сельском хозяйстве (аэрация почв), химической технологии (мембраны для опреснения, удержания опасных веществ). Несмотря на это, модели, объединяющие молекулярную диффузию и адвекцию, остаются источником путаницы.
В статье в Vadose Zone Journal A.T. Corey, W.D. Kemper (Университет штата Колорадо) и J.H. Dane (Обернский университет) показывают, что популярные модели диффузии основаны на неверных допущениях. Эти модели определяют диффузию компонента как поток относительно средне-массового потока, из чего следует, что:
- Сумма диффузионных потоков всех компонентов смеси должна равняться нулю.
- Самодиффузия в однородной жидкости (например, чистой воды) существовать не может, что противоречит экспериментальным данным.
Авторы демонстрируют, что эти модели неадекватно описывают перенос в средах с малыми порами. Они предлагают улучшенный анализ, основанный на принципе равенства движущих сил (для адвекции и диффузии) скорости изменения импульса.
Ключевой пересмотр: Результирующий средне-массовой поток от комбинированного пероса должен вычисляться как векторная сумма адвективного и диффузионного потоков, а не как база для относительного измерения диффузии. Это необходимо, так как «средний поток» нельзя определить независимо от оценки диффузионного потока.
Экспериментальное подтверждение
Авторы представляют пять экспериментов, подтверждающих их модель и противоречащих общепринятым теориям:
- Два эксперимента с переносом газов через пористые среды (один с новыми данными, другой с ранее опубликованными) показывают соответствие пересмотренной модели.
- Три эксперимента (один с новыми данными) демонстрируют самодиффузию чистой жидкой воды под действием градиента температуры. Это прямо противоречит утверждению о невозможности диффузии в однородной жидкости.
- Измеренная диффузия воды была пропорциональна градиенту давления пара — хорошо задокументированной мере кинетической энергии воды.
- Эксперименты также показывают, что в общем случае сумма диффузионных потоков не равна нулю.