Diferencia entre la difusión de Fickian y no Fickian

Diferencia principal - Fickian vs Non Fickian Diffusion

La difusión es el movimiento de moléculas de una región de alta concentración a una región de baja concentración. En otras palabras, las moléculas se mueven a través de un gradiente de concentración. Por lo tanto, los factores que afectan el gradiente de concentración también afectarán la difusión. Sin embargo, la difusión que tiene lugar en sustancias sólidas como los polímeros es muy diferente a la de los líquidos y gases. Las leyes de Fick son un conjunto de ecuaciones que pueden usarse para explicar la difusión en sólidos. Fickian y Non Fickian Diffusion son dos formas de difusión que se describen utilizando las leyes de Fick. La difusión de Fickian obedece a las leyes de Fickian mientras que la difusión de Fickian no obedece a las leyes de Fickian. La principal diferencia entre Fickian y Non Fickian Diffusion es la presencia o ausencia de límites; no hay límites en la difusión de Fickian mientras que la difusión de no Fickian tiene un límite definido que separa la región altamente hinchada de una región seca y vítrea.

Áreas clave cubiertas

1. Cuales son las leyes de Fick
     - Explicación, Primera Ley, Segunda Ley
2. ¿Qué es la difusión de Fickian?
     - Definición, Explicación
3. ¿Qué es la difusión no Fickian?
      - Definición, diferentes tipos
4. ¿Cuál es la diferencia entre la difusión de Fickian y no Fickian
     - Comparación de diferencias clave

Términos clave: Difusión, Difusividad, Difusión Fickian, Primera ley de Fick, Segunda ley de Fick, Difusión no Fickian, Estrés, Hinchazón

Cuales son las leyes de Fick

Las leyes de difusión de Fick fueron introducidas por Adolf Fick en 1855. Estas leyes dan la descripción más simple de difusión. Hay dos leyes de Fick como se indican a continuación.

1. El flujo molar a través de un área unitaria del material es proporcional al gradiente de concentración.
2. La concentración cambia en función del tiempo al cambio en el flujo con respecto a la posición.

La primera ley de Fick

De acuerdo con la primera ley de Fick, el flujo molar (flujo de soluto) a través de un área unitaria del material es proporcional al gradiente de concentración. Aquí, la constante de proporcionalidad se conoce como coeficiente de difusión. La difusión es el movimiento de componentes desde una alta concentración a una baja concentración a través de un gradiente de concentración. Esta es la idea simple de la primera ley de Fick. La ley se puede dar en una ecuación matemática como;

J = -D (dϕ / dx)

J es el flujo de difusión; su dimensión es la cantidad de sustancia por unidad de área por unidad de tiempo; por lo tanto la unidad es mol m⁻² s⁻¹.

D es el coeficiente de difusión. También se le conoce como la difusividad. La dimensión de este componente es el área por unidad de tiempo; por lo tanto la unidad es m²/ s.

Φ es la concentración. Está dada por la unidad mol / m.³.

x es la posición de un soluto. La dimensión para este componente es la longitud. Se da por unidad m.

Coeficiente de difusión Es proporcional a los siguientes factores..

• Velocidad Cuadrada De Las Partículas Difusoras
• Temperatura
• Viscosidad del fluido
• Tamaño de partículas

La segunda ley de Fick

La segunda ley de difusión de Fick se usa para predecir cómo cambia la concentración con el tiempo cuando ocurre la difusión. Según la segunda ley de Fick, la concentración cambia en función del tiempo al cambio en el flujo con respecto a la posición. Está dada por una ecuación de diferenciación parcial como abajo.

δϕ / δt = D δ²ϕ / δx²

ϕ es la concentración (una dimensión que depende del tiempo y la ubicación (x)). 

t es el tiempo (dado por s)

D es el coeficiente de difusión..

X es la posición (dada por dimensiones de longitud).

La ecuación anterior se da para la difusión en una dimensión. Para dos o más dimensiones, se dan ecuaciones más complejas..

¿Qué es la difusión de Fickian?

En gases y líquidos, la difusión no crea un campo de tensión. Pero en los sólidos, se crea un estrés particular debido a la presencia de agentes penetrantes de hinchamiento. Este estrés puede causar incluso grietas, que en otras palabras, se inducen cambios morfológicos. Entonces estos campos de hinchazón y estrés pueden afectar la difusión. Los efectos de la hinchazón y el estrés pueden ser:

• a través de cambios morfológicos
• a través de cambios de solubilidad
• A través de la difusividad cambiante (depende del estrés).
• A través del estrés, dependencia del flujo..

Un criterio fundamental de la difusión de Fickian es que la concentración de la superficie alcanza su valor de equilibrio inmediatamente después de un cambio en las condiciones y permanece constante a través del proceso de sorción. Por ejemplo, en un sistema de matriz de resina, los segmentos de la cadena de polímero en la superficie deben alcanzar la saturación instantáneamente.

La difusión de Fickian rara vez se observa para el transporte de un líquido a través de un polímero vítreo. Si la captación de masa M puede ser representada inicialmente por,

M = kt^norte

t es el tiempo, y k y n son constantes para la difusión de Fickian, n = ½.

¿Qué es la difusión no Fickian?

La difusión no fickiana es la difusión que se produce sin obedecer las leyes de difusión de Fick. En 1946, el concepto de la difusión no fickiana se presentó durante la discusión sobre la hinchazón y el encogimiento por parte de la Sociedad Faraday. Este concepto establece que en algunos sistemas de polímeros, existen límites definidos que se mueven linealmente con el tiempo entre las regiones hinchadas y no hinchadas. Después de unos 20 años, Alfrey llamó a esto "Difusión del Caso II", que ahora se reconoce como un tipo de difusión no Fickian. Hay cuatro tipos de difusión no Fickian como se indica a continuación.

1. Difusion clasica
2. Difusión sigmoidal
3. Difusión del caso II
4. Difusión en dos pasos.

 Si la captación de masa M puede ser representada inicialmente por,

M = kt^norte

t es el tiempo, y k y n son constantes, entonces se pueden predecir los siguientes.

• El valor de n para la difusión sigmoidal (anómala) se puede dar por: ½ < n < 1.
• El valor de n para la difusión del caso II es 1.

Figura 1: Difusión Molecular

Características de la difusión no Fickian

• Un borde afilado que separa la región altamente hinchada de una región seca y vítrea
• El frente afilado se mueve hacia el polímero con una velocidad constante, lo que hace que la cantidad de líquido absorbido aumente linealmente con el tiempo
• Un pequeño precursor de Fickian existe en la región seca por delante del frente
• Hay un tiempo de inducción inicial, durante el cual se establece el límite nítido cerca de la superficie de la película.

Diferencia entre la difusión de Fickian y no Fickian

Definición

Difusión Fickian: La difusión de Fickian es una forma de difusión que obedece a las leyes de Fickian..

No Fickian Difusión: La difusión no Fickian es cualquier forma de difusión que no obedece a las leyes Fickian..

Valor de n en la ecuación de captación de masa

Difusión Fickian: Para la difusión de Fickian, n = ½ en la ecuación para la captación de masa.

No Fickian Difusión: El valor de n para la difusión sigmoidal (anómala) se puede dar por: ½ < n < 1 and for case II diffusion value of n is 1.

Presencia de límites

Difusión Fickian: No se pueden observar límites en la difusión de Fickian..

No Fickian Difusión: Se puede observar un borde afilado que separa la región altamente hinchada de una región vítrea y seca en difusión no Fickian.

Movimiento de frente afilado

Difusión Fickian: Un frente afilado está ausente en la difusión de Fickian..

No Fickian Difusión: El frente afilado en difusión no Fickian se mueve en el polímero con una velocidad constante, lo que hace que la cantidad de líquido absorbido aumente linealmente con el tiempo

Conclusión

La difusión fickiana y no fickiana son dos formas de difusión. La difusión de Fickian se puede explicar utilizando la ley de Fick, pero no la difusión de Fickian. La principal diferencia entre la difusión de Fickian y la de Non Fickian es que la difusión de Fickian obedece a las leyes de Fickian mientras que la difusión de Fickian no obedece a las leyes de Fickian.

Referencia:

1. “Difusión viscoelástica (no fickiana)”. The Canadian Journal of Chemical Engineering, vol. 83, diciembre de 2005, pp. 913-915., Disponible aquí.
2. "Cyclopedia multifísica". COMSOL, disponible aquí.
3. "Las leyes de difusión de Fick". Wikipedia, Wikimedia Foundation, 22 de enero de 2018, disponible aquí.

Imagen de cortesía:

1. “DiffusionMicroMacro” por Sbyrnes321 - Trabajo propio (Dominio público) a través de Commons Wikimedia