Đề tài tìm HIỂU về KHUẾCH tán PHÂN tử

Trong một giai đoạn với nhiệt độ đồng nhất, không có sự tác động của lực từ bên ngoài lên các phần tử thì kết quả cuối cùng của quá trình khuếch tán là sự san bằng nồng độ.. Trong một gi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

….….

KỸ THUẬT THỰC PHẨM 3

Đề tài: TÌM HIỂU VỀ KHUẾCH TÁN PHÂN TỬ

GVHD: Nguyễn Hữu Quyền

SVTH: Nhóm 2

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

1 Khái niệm về khuếch tán 1

1.1 Khái niệm khuếch tán 1

1.2 Yếu tố ảnh hưởng đến khuếch tán 2

1.3 Động lực khuếch tán 3

1.4 Vận tốc khuếch tán 3

1.5 Hệ số khuếch tán 4

2 Khuếch tán phân tử theo một chiều trong lưu chất đứng yên hoặc chảy dòng ở trạng thái ổn định 9

3 Khuếch tán đối lưu 10

4 Áp dụng của khuếch tán phân tử 12

4.1 Khuếch tán trong vật liệu gốm và 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 1

Hình1.2 Đồ thị truyền chất 3

Hình1.3 Phân bố nồng độ trong môi trường chuyển động 11

Hình1.4 Hiện tượng vận chuyển 12

1 Khái niệm về khuếch tán

1.1 Khái niệm khuếch tán

Khuếch tán là sự chuyển chỗ ngẫu nhiên của các ion phân tử do dao động nhiệt, khuếch tán cảu nguyên tử A trong chính nền loại nguyên tử đó (A) gọi là tự khuếch tán Khuếch tán của nguyên tử khác loại B với nồng độ nhỏ hơn trong nền A gọi là khuếch tán khác loại Diều kiện để có khuếch tán khác loại là B phải hòa tan trong A Khuếch tán có vai trò quan trọng trong nhiều quá trình chế tạo vật liệu như kết tinh, thiêu kết, tạo lớp bán dẫn,…

Trong xử lý vật liệu có nhiều phản ứng và quá trình dựa vào sự khuếch tán trong trạng thái rắn, ở mức vĩ mô hoặc từ pha lỏng, pha khí, hoặc pha khác Điều này được thực hiện bằng khuếch tán Khuếch tán xuất hiện trong môi trương rắn, lỏng, khí phân bố lại các phân tử, nguyên tử, phân tử( khuếch tán tạp chất hoặc khuếch tán tương hỗ) Sự chuyển động hỗn loạn các nguyên tử cũng có thể xuất hiện trong chất không đông nhất ( tự khuếch tán)

Hình1.1 Minh họa cặp khuếch tán Cu-Ni.

Cần có 2 điều kiện cho cơ chế khuếch tán diễn ra:

Cần phải có một vị trí trống ngay kế bên nguyên tử, phải có năng lượng đủ lớn để phá

vỡ liên kết các nguyên tử liền kề và đông thời có khả năng tạo vài biến dạng nhỏ trong mạng tinh thể trong khi thay đổi vị trí ( dễ thực hiện khi tang nhiệt độ)

Có 2 mô hình được coi là thích hợp vơi quá trình khuếch tán kim loại: khuếch tán nút trống và khuếch tán xen kẽ

Khuếch tán qua chỗ trống (vacancy diffusion), cơ chế liên quan tới việc thay đổi vị trí các nguyên tử trong mạng từ vị trí binh thường tới vị trí con trống kế bên trong mạng Nguyên tử và chỗ trống chuyển động trái chiều Cả liên khuếch tán và tự khuếch tán đều xảy ra theo cơ chế này, trong liên khuếch tán, các nguyên tử tạp chất phải thay thế các nguyên tử dung môi

Khuếch tán xen kẻ, các nguyên tử xen kẻ dịch chuyển từ vị trí xem kẻ đến vị trí xen kẻ kế cận, nếu vị trí này còn trống Cơ chế này xảy ra trong liên khuếch tán,

các nhuyên tử cacbon, nitrogene, hydro, oxy, có kích thước đủ nhỏ đê chen vào

vị trí xen kẽ trong hợp kim khuếch tán xen kẻ xảy ra nhanh hơn khuếch tán nút trống

Khi hai pha chuyển động tiếp xúc nhau, do sự cản trở của pha này đối với pha kia, nghĩa là do ma sát giữa chúng mà trên bề mặt phân chia pha tạo thành hai lớp màng Chế độ chuyển động động ở trong màng và trong nhân của dòng có đặc trưng khác nhau Ở trong màng luôn luôn có chế độ chuyển dộng dòng, còn ở giữa nhân của dòng thì có chuyển động xoáy Đặc trưng di chuyển vật chất trong màng và nhân của dòng cũng khác nhau

Quá trình di chuyển vật chất ở trong màng cơ bản là nhờ sự tiếp xúc giữa các phân tử

và sự tác dụng tương hỗ giữa chúng

Quá trình di chuyển vật chất qua màng là quá trình khuếch tán phân tử

Ở nhân của dòng sự di chuyển vật chất nhờ sự xáo trộn của các phân tử trong dòng, vì thế gọi là khuếch tán đôi lưu

Vận tốc khuếch tán trong màng rất chậm so với vận tốc khuếch tán trong nhân, vì thế mặc dù lớp màng rất mỏng nó vẫn có một giá trị quyết định đối với quá trình khếch tán Vận tốc khuếch tán chung phụ thuộc nhiều vào vận tốc khuếch tán trong màng

Sự khuếch tán dẫn đến sự dịch chuyển các phân tử từ một khu vực có nồng độ cao hơn đến khu vực có nồng độ thấp hơn, nhưng điều quan trọng là cần lưu ý là sự khuếch tán cũng xảy ra khi không có gradient nồng độ Kết quả của sự khuếch tán là một pha trộn vật chất Trong một giai đoạn với nhiệt độ đồng nhất, không có sự tác động của lực từ bên ngoài lên các phần tử thì kết quả cuối cùng của quá trình khuếch tán là sự san bằng nồng độ

1.2 Yếu tố ảnh hưởng đến khuếch tán

- Loại nguyên tử khuếch tán

Giá trị hệ số khuếch tán là tốc độ khuếch tán các nguyên tử Các nguyên tử khuếch tán

và nguyên tử của vật liệu nền đều ảnh hưởng đến hệ số khuếch tán

- Nhiệt độ

Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng manh đến hệ số và tốc độ khuếch tán Quan hệ giữa nhiệt

độ và hệ số khuếch tán tuân theo phương trình:

D = D0.exp(-Q/RT)

D0: hằng số (cm^2/s)

Q: hoạt năng khuếch tán

T: nhiệt độ khuếch tán (K)

R: hằng số khí (R=1,98cal/mol)

1.3 Động lực khuếch tán

Quá trình truyền chất giữa các pha xảy ra một cách tự nhiên khi nồng độ làm việc và nồng độ cân bằng của cấu tử phân bố trong mỗi pha khác nhau Hiệu số giữa nồng độ làm việc và nồng độ cân bằng gọi là động lực khuyếch tán hay động lực truyền chất Động lực có thể 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¿

nếu tính theo nồng độ pha ∅x, ta có động lực là:

∆ x=x¿

−x hay ∆ x=x −x¿ Đối với bất cứ một quá trình truyền chất nào trong thiết bị, động lực truyền chất có thể biểu diễn bằng đồ thị

Hình1.2 Đồ thị truyền chất 1.4 Vận tốc khuếch tán

Vận tốc khuếch tán trong màng rất chậm so với vận tốc khuếch tán trong nhân, vì thế mặc dù lớp màng rất mỏng nó vẫn có một giá trị quyết định đối với quá trình khếch tán Vận tốc khuếch tán chung phụ thuộc nhiều vào vận tốc khuếch tán trong màng

Sự khuếch tán dẫn đến sự dịch chuyển các phân tử từ một khu vực có nồng độ cao hơn đến khu vực có nồng độ thấp hơn, nhưng điều quan trọng là cần lưu ý là sự khuếch tán cũng xảy ra khi không có gradient nồng độ Kết quả của sự khuếch tán là một pha trộn vật chất Trong một giai đoạn với nhiệt độ đồng nhất, không có sự tác động của lực từ bên ngoài lên các phần tử thì kết quả cuối cùng của quá trình khuếch tán là sự san bằng nồng độ

Vận tốc khếch tán qua 1 đơn vị diện tích màng trong 1 đơn vị thời gian:

v= d G

F dτ=−D

dc dx

F - diện tích bề mặt, vuông góc với hướng khếch tán

τ −¿thời gian khuyết tán

G - lượng vật chất khếch tán

D - hệ số khếch tán

“–“ chỉ rằng nồng độ giảm theo chiều khuếch tán

Giải phương trình ta biết được lượng vật chất khếch tán:

G = - D F dc dx τ

Nếu lượng vật chất G được biểu diễn bằng kg, thời gian τ là giờ, F là m2 , chiều dài là

m, nồng độ C là kg/m3 , thì hệ số khuyếch tán D có thứ nguyên là:

[D] = [

kg m

m2 kg

m3 h

¿=[m2

h ]

1.5 Hệ số khuếch tán

- Hệ số khuyếch tán là lượng chất đi qua một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian khi nồng độ vật chất giảm một đơn vị trên một đơn vị chiều dài theo hướng khuyếch tán

- Hệ số khuyếch tán là một hằng số vật lí đặc trưng cho khả năng xâm nhập của chất đang xét vào môi trường nào đó Vì vậy nó không phụ thuộc vào điều kiện thủy động của quá trình

- Hệ số khuyếch tán chỉ phụ thuộc vào bản chất của chất đang xét, vào áp suất, nhiệt

độ và được xác định bằng các công thức thực nghiệm

Công thức tính hệ số khếch tán

Khếch tán trong pha khí:

Hệ số khếch tán giữa hai khí A và B ở nhiệt độ T và áp suất P được xác định theo công thức:

Dk = 4,3.10

−3

.T3/ 2

P (V A

1

3+V B

1

3)2√M1A

+ 1

M B , m2/s T- nhiệt độ tuyệt đối, K

P- áp suất tuyệt đối, atm

MA, MB - khối lượng mol của khí A và B, g/mol

VA, VB – thể tích mol của khí A và khí B

Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến hệ số khếch tán được tính theo công thức:

D=D0 P0

P .(T T0).3/2

Chỉ số “0” là ở hệ số khếch tán, nhiệt độ và áp suất đã biết

Khếch tán trong pha lỏng

Hệ số khếch tán giữa lỏng A và lỏng B ở nhiệt độ T và áp suất P được xác định theo công thức:

−6

A B √μ (V A

1

3+V B

1

3)2√M1A+

1

M B , m2/s

Trong đó:

MA, MB - khối lượng mol của khí A và B, g/mol

VA, VB – thể tích mol của khí A và khí B

μ - độ nhớt của pha lỏng, mPa.s

A, B – hệ số phụ thuộc theo tính chất của chất tan và dung môi

2 Khuếch tán phân tử theo một chiều trong lưu chất đứng yên hoặc chảy dòng ở trạng thái ổn định

Theo định nghĩa thì phương thúc khuyếch tán phân tử là sự chuyển động dao động nhiệt của các phân tử vào trong lòng các phân tử khác, lý thuyết động học phân tử giải thích bản chất của phương thức khuyếch tán phân tử như sau: Chúng ta hình dung có một phân tử dịch chuyển trên một khoảng cách nhất định với một vận tốc nhất định mà không có sự va chạm với các phân tử xung quanh Sau khoảng cách đó nó sẽ va chạm với các phân tử khác, vì thế vận tốc của nó sẽ thay đổi cả hướng lẫn độ lớn Như đã biết vận tốc của các phân tử là rất lớn nhưng do va chạm nhiều nên vận tốc thực tế là rất nhỏ

Điều này dẫn đến phương thức khuyếch tán phân tử xảy ra rất chậm quá trình dịch chuyển này xảy ra liên tục dẫn đến các phân tử này sẽ khuyếch tán vào trong lòng các phân tử khác và hướng chủ đạo của quá trình vẫn là hướng theo chiều giảm nồng độ Bản chất khuyếch tán phân tử trong khí và trong lỏng là như nhau Nhưng các phân tử trong pha lỏng nhiều hơn trong pha khí, do đó khoảng cách giữa các phân tử trong chất lỏng nhỏ hơn nhiều, nên số lần va chạm tăng lên dẫn đến khuyếch tán phân tử trong chất lỏng xảy ra chậm hơn nhiều so với trong chất khí Thực nghiệm đã chỉ ra hệ số khuyếch tán của khí và lỏng như sau:

Dkhí = (103 ÷ 104) Dlỏng

Theo cơ chế trên ta thấy vận tốc khuyếch tán phân tử tăng khi nhiệt độ tăng và áp suất giảm Trong quá trình truyền chất, khuyếch tán phân tử xảy ra trong lớp màng hay trong môi trường đứng yên Do vậy, việc tăng nhiệt độ để tăng quá trình có nhiều hạn chế Thông thường người ta có gắng tăng vận tốc của các pha để tăng cường phương thức khuyếch tán xoáy và đối lưu

Khuếch tán trạng thái ổn định

Định luật Fick I và hệ số khuếch tán

Định luật này nêu lên quan hệ giữa dòng nguyên tử khuếch tán J qua một đơn vị bề mặt vuông góc với phương khuếch tán và Gradient nồng độ

J = -DdC/dx Trong đó:

- Dấu trừ chỉ dòng khuếch tán theo chiều giảm nông độ

- D hệ số khuếch tán ( cm2/s)

Trong một số trường hợp:

D = D0.exp(-Q/RT)

D0: hằng số (cm^2/s)

Q: hoạt năng khuếch tán

T: nhiệt độ khuếch tán (K)

R: hằng số khí (R=1,98cal/mol)

Từ những trị số D0 và Q có thể xác định hệ số khuếch tán D ở nhiệt dộ bất kỳ và đặc điểm của quá trình khuếch tán

Đối với các phản ứng khuếch tán, có thể có vài dạng lực truyền động, nhưng khi khuếch tán tuân theo phương trình trên, lực truyền dộng chính là gradien nồng độ

Khuếch tán trạng thái không ổn định:

Nếu nồng độ C không những là hàm của x mà còn phụ thuộc vào thời gian t thì để thuận tiện người ta sử dụng định luật Fick II

Định luật Fick II trong trường hợp hệ số khuếch tán không phụ thuộc nồng độ như sau:

∂C/∂t = ∂/∂x(D∂C/∂x) Nghiệm của phương trình trên trong trường hợp khuếch tán một chất có nồng độ Cs trên bề mặt vào bên trong mẫu với nồng độ ban đầu Co (Cs>Co)

(Cx-Co)/(Cs-Co) = 1-erf {x/2Dt}

Trong đó erf {…} là hàm sai của đại lượng được tính sẵn trong sổ tay toán học

3 Khuếch tán đối lưu

Trong dòng chảy rối các dòng xoáy chuyển động sẽ truyền vận vật chất từ vị trí này sáng vị trí khác như trong trường hợp truyền vận moment và nhiệt lượng, phương trình truyền khối có dạng như sau:

v= -ɛN x (dc/dx) với ɛ là hệ số khuếch tán dòng xoáy Hệ số khuếch tán dòng xoáy phụ thuộc vào các tính chất của lưu chất cũng như vận tốc và vị trí trong dòng chuyển động

Là phương thức khuyếch tán do sự đối lưu vật chất trong bản thân mỗi pha Chúng ta thấy rằng khi dòng pha chuyển động xoáy thì trong bản thân mỗi pha sẽ có di chuyển vật chất do dòng đối lưu, đồng thời tại mỗi điểm bất kì dưới tác dụng của các tia dao động xoáy vật chất cũng di chuyển hỗn loạn Cả hai loại khuyếch tán trên cùng tồn tại khi các pha chuyển động nên được gọi chung là khuyếch tán đối lưu Loại khuyếch tán

có vận tốc lớn hơn nhiều lần so với vận tốc khuyếch tán phân tử và nó phụ thuộc vào chế độ chảy của dòng pha

Chuyển động đối lưu thu được nhờ các quá trình cơ học như khuấy trộn, tạo chênh lệch áp suất của dòng chảy hay dưới tác dụng của lực trọng trường Chế độ chảy của các dòng pha có thể là chế độ chảy dòng (Re < 2320), chế độ quá độ (2320 < Re

<10000) và chế độ chảy xoáy (Re > 10000)

Xu hướng chung là cố gắng tạo nên chế độ chảy xoáy để tăng quá 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 quá trình khuyếch tán từ dòng khí vào dòng chất lỏng giọt Dòng khí có vận tốc w và nồng độ cấu tử phân bố là C Dòng lỏng đi vào với vận tốc u Vật chất khuyếch tán từ khí vào lỏng không những nhờ vào chuyển động của phân tử mà còn nhờ vào sự chuyển động của các pha

Khí (Cw) lỏng (u)

Sơ đồ chuyển động của khí và lỏng

Để nghiên cứu quá trình này cần tách ra một nguyên tố thể tích dV có cạnh là dx, dy,

dz và đặt nó vào trong hệ tọa độ Oxyz

Hình1.3 Phân bố nồng độ trong môi trường chuyển động

Trong dòng chảy rối các dòng xoáy chuyển động sẽ truyền vận vật chất từ vị trí này đến vị trí khác như trong trường hợp truyền vận moment và nhiệt lượng, phương trình truyền khối có dạng như sau:

v=−ε N d c

d x

Với ε là hệ số khếch tán dòng xoáy Hệ số khếch tán dòng xoáy phụ thuộc vào các tính chất của lưu chất cũng như vận tốc và vị trí trong dòng chuyển động

Khái niệm: Trong 1 pha có sự dịch chuyển vật chất do các phần tử chuyển động → đạt đến sự cân bằng nồng độ trong 1 pha

Phần tử > phân tử về kích thước

Ý nghĩa: Khuếch tán đối lưu bao gồm cả 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)

4 Áp dụng của khuếch tán phân tử

4.1 Khuếch tán trong vật liệu gốm và polymer

Trong vật liệu này không có sự khác nhau đáng kể giữa nút trống và lỗ hổng và không

có tính chu kỳ của vị trí nguyên tử Nồng độ khuyết tật rất lớn và kém ổn định, do đó chúng dễ kết hợp với nhau hoặc với nguyên tử hòa tan Có thể tồn tại các cơ chế khuếch tán sau:

- Các loại nguyên tử kích thước nhỏ khuếch tán theo cơ chế giữa các nút mạng: Q

có giá trị nhỏ Khi đường kính nguyên tử và nguyên tử lượng càng nhỏ thì hệ số khuếch tán D càng lớn

- Một số nguyên tử như Au, pt, Pb … và những phức hợp của nó khuếch tán theo

cơ chế giữa nút mạng trong lox hổng lớn Q phụ thuộc vào năng lượng liên kết của những hợp phức đó và có trị số 1>3 eV/nguyên tử

- Trong một số trường hợp khuếch tán xảy ra theo cơ chế chuyển chỗ tập thể của

một nhóm nguyên tử

- Hệ số khuếch tán D có giá trị trung gian giữa cơ chế nút trống và cơ chế giữa

nút mạng

4.2 Hiện tượng vận chuyển

Sự lan truyền của các phân tử của một hỗn hợp ở trong chất lỏng hay chất khí từ nơi chúng đưa vào, trong điều kiện không có các dịch chuyển vĩ mô ở trong chất lỏng hay chất khí, được gọi là hiện tượng khuếch tán Sự xuất hiện các lực ma sát giữa hai lớp chất lỏng hay chất khí chuyển động với các vận tốc khác nhau là biểu hiện của lực ma

sát nội hay tính nhớt Sự chuyển của năng lượng từ các miền nóng hơn sang các miền

lạnh hơn, khi không có các sự dịch chuyển của chất lỏng hay chất khí hay các sự chảy đối lưu trong chúng được gọi là sự dẫn nhiệt

Hình1.4 Hiện tượng vận chuyển

Cơ chế bên trong của ba hiện tượng đó là một - đó là chuyển động nhiệt hỗn loạn của các phân tử đã dẫn đến sự dịch chuyển của chúng Các hiện tượng đó được gọi là các hiện tượng vận chuyển vì trong sự khuếch tán có sự vận chuyển chất của hỗn hợp, trong sự ma sát nội có sự vận chuyển xung lượng, còn trong sự dẫn nhiệt có sự vận chuyển nhiệt lượng