Đề tài tìm HIỂU về KHUẾCH tán PHÂN tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM ….… KỸ THUẬT THỰC PHẨM Đề tài: TÌM HIỂU VỀ KHUẾCH TÁN PHÂN TỬ GVHD: Nguyễn Hữu Quyền SVTH: Nhóm Lâm Tố Diễm 2205190018 Trần Thị Trúc Linh 2205190032 Võ Thị Thùy Dương 2205190013 Nguyễn Ngọc Trân Trân 2205190006 Trần Huỳnh Nhựt Linh 2205190035 Nguyễn Thị Lan Nhi 2205190043 Tp Hồ Chí Minh, năm 2020 MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH ii Khái niệm khuếch tán .1 1.1 Khái niệm khuếch tán 1.2 Yếu tố ảnh hưởng đến khuếch tán 1.3 Động lực khuếch tán 1.4 Vận tốc khuếch tán 1.5 Hệ số khuếch tán Khuếch tán phân tử theo chiều lưu chất đứng yên chảy dòng trạng thái ổn định Khuếch tán đối lưu 10 Áp dụng khuếch tán phân tử 12 4.1 Khuếch tán vật liệu gốm polymer 12 4.2 Hiện tượng vận chuyển 12 TÀI LIỆU THAM KHẢO 14 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình1.1 Minh họa cặp khuếch tán Cu-Ni Hình1.2 Đồ thị truyền chất Hình1.3 Phân bố nồng độ mơi trường chuyển động 11 Hình1.4 Hiện tượng vận chuyển .12 Khái niệm khuếch tán 1.1 Khái niệm khuếch tán Khuếch tán chuyển chỗ ngẫu nhiên ion phân tử dao động nhiệt, khuếch tán cảu nguyên tử A loại nguyên tử (A) gọi tự khuếch tán Khuếch tán nguyên tử khác loại B với nồng độ nhỏ A gọi khuếch tán khác loại Diều kiện để có khuếch tán khác loại B phải hịa tan A Khuếch tán có vai trị quan trọng nhiều q trình chế tạo vật liệu kết tinh, thiêu kết, tạo lớp bán dẫn,… Trong xử lý vật liệu có nhiều phản ứng trình dựa vào khuếch tán trạng thái rắn, mức vĩ mô từ pha lỏng, pha khí, pha khác Điều thực khuếch tán Khuếch tán xuất môi trương rắn, lỏng, khí phân bố lại phân tử, nguyên tử, phân tử( khuếch tán tạp chất khuếch tán tương hỗ) Sự chuyển động hỗn loạn nguyên tử xuất chất khơng đơng ( tự khuếch tán) Hình1.1 Minh họa cặp khuếch tán Cu-Ni Cần có điều kiện cho chế khuếch tán diễn ra: Cần phải có vị trí trống kế bên nguyên tử, phải có lượng đủ lớn để phá vỡ liên kết nguyên tử liền kề đơng thời có khả tạo vài biến dạng nhỏ mạng tinh thể thay đổi vị trí ( dễ thực tang nhiệt độ) Có mơ hình coi thích hợp vơi trình khuếch tán kim loại: khuếch tán nút trống khuếch tán xen kẽ Khuếch tán qua chỗ trống (vacancy diffusion), chế liên quan tới việc thay đổi vị trí nguyên tử mạng từ vị trí binh thường tới vị trí trống kế bên mạng Nguyên tử chỗ trống chuyển động trái chiều Cả liên khuếch tán tự khuếch tán xảy theo chế này, liên khuếch tán, nguyên tử tạp chất phải thay nguyên tử dung môi Khuếch tán xen kẻ, nguyên tử xen kẻ dịch chuyển từ vị trí xem kẻ đến vị trí xen kẻ kế cận, vị trí cịn trống Cơ chế xảy liên khuếch tán, nhun tử cacbon, nitrogene, hydro, oxy, có kích thước đủ nhỏ đê chen vào vị trí xen kẽ hợp kim khuếch tán xen kẻ xảy nhanh khuếch tán nút trống Khi hai pha chuyển động tiếp xúc nhau, cản trở pha pha kia, nghĩa ma sát chúng mà bề mặt phân chia pha tạo thành hai lớp màng Chế độ chuyển động động màng nhân dịng có đặc trưng khác Ở màng ln ln có chế độ chuyển dộng dịng, cịn nhân dịng có chuyển động xoáy Đặc trưng di chuyển vật chất màng nhân dịng khác Q trình di chuyển vật chất màng nhờ tiếp xúc phân tử tác dụng tương hỗ chúng Quá trình di chuyển vật chất qua màng trình khuếch tán phân tử Ở nhân dòng di chuyển vật chất nhờ xáo trộn phân tử dịng, gọi khuếch tán đôi lưu Vận tốc khuếch tán màng chậm so với vận tốc khuếch tán nhân, lớp màng mỏng có giá trị định trình khếch tán Vận tốc khuếch tán chung phụ thuộc nhiều vào vận tốc khuếch tán màng Sự khuếch tán dẫn đến dịch chuyển phân tử từ khu vực có nồng độ cao đến khu vực có nồng độ thấp hơn, điều quan trọng cần lưu ý khuếch tán xảy khơng có gradient nồng độ Kết khuếch tán pha trộn vật chất Trong giai đoạn với nhiệt độ đồng nhất, khơng có tác động lực từ bên lên phần tử kết cuối trình khuếch tán san nồng độ 1.2 - Yếu tố ảnh hưởng đến khuếch tán Loại nguyên tử khuếch tán Giá trị hệ số khuếch tán tốc độ khuếch tán nguyên tử Các nguyên tử khuếch tán nguyên tử vật liệu ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán - Nhiệt độ Nhiệt độ yếu tố ảnh hưởng manh đến hệ số tốc độ khuếch tán Quan hệ nhiệt độ hệ số khuếch tán tuân theo phương trình: D = D0.exp(-Q/RT) D0: số (cm^2/s) Q: hoạt khuếch tán T: nhiệt độ khuếch tán (K) R: số khí (R=1,98cal/mol) 1.3 Động lực khuếch tán Q trình truyền chất pha xảy cách tự nhiên nồng độ làm việc nồng độ cân cấu tử phân bố pha khác Hiệu số nồng độ làm việc nồng độ cân gọi động lực khuyếch tán hay động lực truyền chất Động lực tính theo nồng độ pha φy hay nồng độ pha φx Nếu tính theo nồng độ pha ∅ y ta có động lực là: ∆ y = y ¿− y Hay ∆ y = y− y ¿ tính theo nồng độ pha ∅ x, ta có động lực là: ∆ x=x ¿ −x hay ∆ x=x −x¿ Đối với trình truyền chất thiết bị, động lực truyền chất biểu diễn đồ thị Hình1.2 Đồ thị truyền chất 1.4 Vận tốc khuếch tán Vận tốc khuếch tán màng chậm so với vận tốc khuếch tán nhân, lớp màng mỏng có giá trị định trình khếch tán Vận tốc khuếch tán chung phụ thuộc nhiều vào vận tốc khuếch tán màng Sự khuếch tán dẫn đến dịch chuyển phân tử từ khu vực có nồng độ cao đến khu vực có nồng độ thấp hơn, điều quan trọng cần lưu ý khuếch tán xảy khơng có gradient nồng độ Kết khuếch tán pha trộn vật chất Trong giai đoạn với nhiệt độ đồng nhất, khơng có tác động lực từ bên ngồi lên phần tử kết cuối trình khuếch tán san nồng độ Vận tốc khếch tán qua đơn vị diện tích màng đơn vị thời gian: v= dG dc =−D F dτ dx F - diện tích bề mặt, vng góc với hướng khếch tán τ −¿thời gian khuyết tán G - lượng vật chất khếch tán D - hệ số khếch tán “–“ nồng độ giảm theo chiều khuếch tán Giải phương trình ta biết lượng vật chất khếch tán: G = - D F dc τ dx Nếu lượng vật chất G biểu diễn kg, thời gian τ giờ, F m , chiều dài m, nồng độ C kg/m3 , hệ số khuyếch tán D có thứ nguyên là: kg m m2 ¿=[ ] h [D] = [ m2 kg h m 1.5 Hệ số khuếch tán - Hệ số khuyếch tán lượng chất qua đơn vị bề mặt đơn vị thời gian nồng độ vật chất giảm đơn vị đơn vị chiều dài theo hướng khuyếch tán - Hệ số khuyếch tán số vật lí đặc trưng cho khả xâm nhập chất xét vào mơi trường Vì khơng phụ thuộc vào điều kiện thủy động trình - Hệ số khuyếch tán phụ thuộc vào chất chất xét, vào áp suất, nhiệt độ xác định công thức thực nghiệm Cơng thức tính hệ số khếch tán Khếch tán pha khí: Hệ số khếch tán hai khí A B nhiệt độ T áp suất P xác định theo công thức: Dk = 4,3.10−3 T 3/ ( A P V +V B )2 √ 1 + M A M B , m /s T- nhiệt độ tuyệt đối, K P- áp suất tuyệt đối, atm MA, MB - khối lượng mol khí A B, g/mol VA, VB – thể tích mol khí A khí B Ảnh hưởng nhiệt độ áp suất đến hệ số khếch tán tính theo cơng thức: D=D P0 T 3/2 P T0 ( ) Chỉ số “0” hệ số khếch tán, nhiệt độ áp suất biết Khếch tán pha lỏng Hệ số khếch tán lỏng A lỏng B nhiệt độ T áp suất P xác định theo công thức: Dt = 10−6 ( A A B √ μ V +V B )2 √ 1 + M A M B , m /s Trong đó: MA, MB - khối lượng mol khí A B, g/mol VA, VB – thể tích mol khí A khí B μ - độ nhớt pha lỏng, mPa.s A, B – hệ số phụ thuộc theo tính chất chất tan dung mơi Khuếch tán phân tử theo chiều lưu chất đứng yên chảy dòng trạng thái ổn định Theo định nghĩa phương thúc khuyếch tán phân tử chuyển động dao động nhiệt phân tử vào lòng phân tử khác, lý thuyết động học phân tử giải thích chất phương thức khuyếch tán phân tử sau: Chúng ta hình dung có phân tử dịch chuyển khoảng cách định với vận tốc định mà khơng có va chạm với phân tử xung quanh Sau khoảng cách va chạm với phân tử khác, vận tốc thay đổi hướng lẫn độ lớn Như biết vận tốc phân tử lớn va chạm nhiều nên vận tốc thực tế nhỏ Điều dẫn đến phương thức khuyếch tán phân tử xảy chậm trình dịch chuyển xảy liên tục dẫn đến phân tử khuyếch tán vào lòng phân tử khác hướng chủ đạo trình hướng theo chiều giảm nồng độ Bản chất khuyếch tán phân tử khí lỏng Nhưng phân tử pha lỏng nhiều pha khí, khoảng cách phân tử chất lỏng nhỏ nhiều, nên số lần va chạm tăng lên dẫn đến khuyếch tán phân tử chất lỏng xảy chậm nhiều so với chất khí Thực nghiệm hệ số khuyếch tán khí lỏng sau: Dkhí = (103 ÷ 104) Dlỏng Theo chế ta thấy vận tốc khuyếch tán phân tử tăng nhiệt độ tăng áp suất giảm Trong trình truyền chất, khuyếch tán phân tử xảy lớp màng hay môi trường đứng yên Do vậy, việc tăng nhiệt độ để tăng q trình có nhiều hạn chế Thơng thường người ta có gắng tăng vận tốc pha để tăng cường phương thức khuyếch tán xoáy đối lưu Khuếch tán trạng thái ổn định Định luật Fick I hệ số khuếch tán Định luật nêu lên quan hệ dòng nguyên tử khuếch tán J qua đơn vị bề mặt vng góc với phương khuếch tán Gradient nồng độ J = -DdC/dx Trong đó: - Dấu trừ dịng khuếch tán theo chiều giảm nông độ D hệ số khuếch tán ( cm2/s) Trong số trường hợp: D = D0.exp(-Q/RT) D0: số (cm^2/s) Q: hoạt khuếch tán T: nhiệt độ khuếch tán (K) R: số khí (R=1,98cal/mol) Từ trị số D0 Q xác định hệ số khuếch tán D nhiệt dộ đặc điểm trình khuếch tán Đối với phản ứng khuếch tán, có vài dạng lực truyền động, khuếch tán tuân theo phương trình trên, lực truyền dộng gradien nồng độ Khuếch tán trạng thái không ổn định: Nếu nồng độ C khơng hàm x mà cịn phụ thuộc vào thời gian t để thuận tiện người ta sử dụng định luật Fick II Định luật Fick II trường hợp hệ số khuếch tán không phụ thuộc nồng độ sau: ∂C/∂t = ∂/∂x(D∂C/∂x) Nghiệm phương trình trường hợp khuếch tán chất có nồng độ Cs bề mặt vào bên mẫu với nồng độ ban đầu Co (Cs>Co) (Cx-Co)/(Cs-Co) = 1-erf {x/2Dt} Trong erf {…} hàm sai đại lượng tính sẵn sổ tay tốn học Khuếch tán đối lưu Trong dòng chảy rối dịng xốy chuyển động truyền vận vật chất từ vị trí sáng vị trí khác trường hợp truyền vận moment nhiệt lượng, phương trình truyền khối có dạng sau: v= -ɛN x (dc/dx) với ɛ hệ số khuếch tán dịng xốy Hệ số khuếch tán dịng xốy phụ thuộc vào tính chất lưu chất vận tốc vị trí dịng chuyển động Là phương thức khuyếch tán đối lưu vật chất thân pha Chúng ta thấy dòng pha chuyển động xốy thân pha có di chuyển vật chất dòng đối lưu, đồng thời điểm tác dụng tia dao động xoáy vật chất di chuyển hỗn loạn Cả hai loại khuyếch tán tồn pha chuyển động nên gọi chung khuyếch tán đối lưu Loại khuyếch tán có vận tốc lớn nhiều lần so với vận tốc khuyếch tán phân tử phụ thuộc vào chế độ chảy dòng pha Chuyển động đối lưu thu nhờ trình học khuấy trộn, tạo chênh lệch áp suất dòng chảy hay tác dụng lực trọng trường Chế độ chảy dòng pha chế độ chảy dịng (Re < 2320), chế độ độ (2320 < Re 10000) Xu hướng chung cố gắng tạo nên chế độ chảy xoáy để tăng trình đối lưu, giảm chiều dày lớp màng tức tăng cường phương thúc khuyếch tán đối lưu so với phương thúc khuyếch tán phân tử Ví dụ xét trình khuyếch tán từ dịng khí vào dịng chất lỏng giọt Dịng khí có vận tốc w nồng độ cấu tử phân bố C Dòng lỏng vào với vận tốc u Vật chất khuyếch tán từ khí vào lỏng nhờ vào chuyển động phân tử mà nhờ vào chuyển động pha Khí (Cw) lỏng (u) Sơ đồ chuyển động khí lỏng Để nghiên cứu q trình cần tách ngun tố thể tích dV có cạnh dx, dy, dz đặt vào hệ tọa độ Oxyz Hình1.3 Phân bố nồng độ mơi trường chuyển động Trong dịng chảy rối dịng xốy chuyển động truyền vận vật chất từ vị trí đến vị trí khác trường hợp truyền vận moment nhiệt lượng, phương trình truyền khối có dạng sau: v=−ε N dc dx Với ε hệ số khếch tán dịng xốy Hệ số khếch tán dịng xốy phụ thuộc vào tính chất lưu chất vận tốc vị trí dịng chuyển động Khái niệm: Trong pha có dịch chuyển vật chất phần tử chuyển động → đạt đến cân nồng độ pha Phần tử > phân tử kích thước Ý nghĩa: Khuếch tán đối lưu bao gồm khuếch tán phần tử Vận tốc truyền khối = (Hệ số truyền khối).(Sai biệt nồng độ) Vận tốc truyền khối =k.F.(CA - CAS ), mol/s K: hệ số truyền khối, m/s Thông lượng khếch tán (mol/m2.s) NA = -DAB(∂CA/∂ Z)Z = kL (CA- CAS) (mol/m2.s) KL: hệ số truyền khối mol/(s.m2.(mol/m3) = (m/S) Áp dụng khuếch tán phân tử 4.1 Khuếch tán vật liệu gốm polymer Trong vật liệu khơng có khác đáng kể nút trống lỗ hổng khơng có tính chu kỳ vị trí nguyên tử Nồng độ khuyết tật lớn ổn định, chúng dễ kết hợp với với nguyên tử hòa tan Có thể tồn chế khuếch tán sau: - - 4.2 Các loại nguyên tử kích thước nhỏ khuếch tán theo chế nút mạng: Q có giá trị nhỏ Khi đường kính ngun tử nguyên tử lượng nhỏ hệ số khuếch tán D lớn Một số nguyên tử Au, pt, Pb … phức hợp khuếch tán theo chế nút mạng lox hổng lớn Q phụ thuộc vào lượng liên kết hợp phức có trị số 1>3 eV/nguyên tử Trong số trường hợp khuếch tán xảy theo chế chuyển chỗ tập thể nhóm nguyên tử Hệ số khuếch tán D có giá trị trung gian chế nút trống chế nút mạng Hiện tượng vận chuyển Sự lan truyền phân tử hỗn hợp chất lỏng hay chất khí từ nơi chúng đưa vào, điều kiện khơng có dịch chuyển vĩ mơ chất lỏng hay chất khí, gọi tượng khuếch tán Sự xuất lực ma sát hai lớp chất lỏng hay chất khí chuyển động với vận tốc khác biểu lực ma sát nội hay tính nhớt Sự chuyển lượng từ miền nóng sang miền lạnh hơn, khơng có dịch chuyển chất lỏng hay chất khí hay chảy đối lưu chúng gọi dẫn nhiệt Hình1.4 Hiện tượng vận chuyển Cơ chế bên ba tượng - chuyển động nhiệt hỗn loạn phân tử dẫn đến dịch chuyển chúng Các tượng gọi tượng vận chuyển khuếch tán có vận chuyển chất hỗn hợp, ma sát nội có vận chuyển xung lượng, cịn dẫn nhiệt có vận chuyển nhiệt lượng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bài giản khuếch tán phân tử [2] Bài giản hóa lý hóa keo_ Trường ĐH Công nghiệp Thực Phẩm Tp.HCM  ... Khái niệm khuếch tán 1.1 Khái niệm khuếch tán Khuếch tán chuyển chỗ ngẫu nhiên ion phân tử dao động nhiệt, khuếch tán cảu nguyên tử A loại nguyên tử (A) gọi tự khuếch tán Khuếch tán nguyên tử khác... tử kết cuối trình khuếch tán san nồng độ 1.2 - Yếu tố ảnh hưởng đến khuếch tán Loại nguyên tử khuếch tán Giá trị hệ số khuếch tán tốc độ khuếch tán nguyên tử Các nguyên tử khuếch tán nguyên tử. .. dựa vào khuếch tán trạng thái rắn, mức vĩ mô từ pha lỏng, pha khí, pha khác Điều thực khuếch tán Khuếch tán xuất môi trương rắn, lỏng, khí phân bố lại phân tử, nguyên tử, phân tử( khuếch tán tạp