Diferencia entre estado estacionario y difusión en estado inestable

Diferencia principal - Estado estable frente a difusión en estado inestable

A cualquier temperatura que sea diferente del cero absoluto, todos los átomos de una sustancia (en un gas, líquido o sólido) están constantemente en movimiento. Estos movimientos causan colisiones entre sí. Debido a estas colisiones, el movimiento de las partículas parece zig-zag. Sin embargo, es observable que las partículas en una concentración alta tienden a moverse hacia una concentración más baja a través de un gradiente de concentración conocido como difusión. La difusión se puede dividir en dos tipos como difusión en estado estable y difusión en estado inestable. La principal diferencia entre la difusión en estado estable y la difusión en estado inestable es que La difusión en estado estable tiene lugar a una velocidad constante, mientras que la velocidad de difusión en estado inestable es una función del tiempo.. Ambos tipos pueden ser descritos cuantitativamente por las leyes de Fick.

Áreas clave cubiertas

1. ¿Qué es la difusión en estado estacionario?
     - Definición, Relación con la Primera Ley de Fick
2. ¿Qué es la difusión en estado inestable?
     - Definición, relación con la primera y segunda ley de Fick
3. ¿Cuál es la diferencia entre el estado estacionario y la difusión en estado inestable?
     - Comparación de diferencias clave

Términos clave: Colisiones, Difusión, Ley de Fick, Difusión de estado estacionario, Difusión de estado inestable

¿Qué es la difusión en estado estacionario?

La difusión en estado estacionario es una forma de difusión que tiene lugar a una velocidad constante. Aquí, el número de moles de partículas que cruzan una interfaz dada es constante con el tiempo. Por lo tanto, en todo el sistema, la tasa de cambio de la concentración con la distancia (dc / dx) es un valor constante y el cambio de la concentración con el tiempo es cero (dc / dt).

Para estado estable,

dc / dx = constante

dc / dt = 0

Donde dc es un cambio en la concentración, dx es una distancia pequeña y dt es un período de tiempo pequeño.

Figura 1: Difusión

Primera ley de Fick determina tanto la difusión en estado estable como la difusión en estado inestable cuantitativamente. La primera ley de Fick dice que el flujo difusivo es directamente proporcional al gradiente de concentración existente y se puede dar matemáticamente como,

J = -D (dϕ / dx)

En el cual,

• J es el flujo de difusión; su dimensión es la cantidad de sustancia por unidad de área por unidad de tiempo, y la unidad es mol m⁻²s⁻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.

¿Qué es la difusión en estado inestable?

La difusión en estado inestable o la difusión en estado no estacionario es una forma de difusión en la que la velocidad de difusión es una función del tiempo. Esto significa que la velocidad de difusión depende del tiempo. Por lo tanto, la tasa de concentración con distancia (dc / dx) no es una constante y el cambio de concentración con el tiempo no es cero.

Por estado inestable,

dc / dx = variar con el tiempo

dc / dt ≠ 0

Donde dc es un cambio en la concentración, dx es una distancia pequeña y dt es un período de tiempo pequeño.

Segunda ley de Fick Determina cuantitativamente la difusión del estado inestable. La segunda ley de difusión de Fick se usa para predecir cómo cambia la concentración con el tiempo cuando ocurre la difusión. Está dada por una ecuación de diferenciación parcial como abajo.

δϕ / δt = D δ²ϕ / δx²

En el cual,

• 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).

Por lo tanto, el estado inestable se formula como una ecuación de difusión parcial.

Diferencia entre estado estacionario y difusión en estado inestable

Definición

Difusión del estado estacionario: La difusión en estado estacionario es una forma de difusión que tiene lugar a una velocidad constante.

Estado inestable Difusión: La difusión en estado inestable o la difusión en estado no estacionario es una forma de difusión en la que la velocidad de difusión es una función del tiempo..

Tasa de Difusión

Difusión del estado estacionario: La velocidad de difusión es constante para la difusión en estado estable..

Estado inestable Difusión: La velocidad de difusión no es constante para la difusión en estado inestable. Varía con el tiempo.

Dependencia del tiempo

Difusión del estado estacionario: La difusión en estado estacionario no varía con el tiempo..

Estado inestable Difusión: La difusión del estado inestable es una función del tiempo (cambia con el tiempo).

Relación con las leyes de Fick

Difusión del estado estacionario: El estado estable puede determinarse cuantitativamente por la primera ley de Fick.

Estado inestable Difusión: La difusión del estado inestable puede determinarse cuantitativamente por la primera y segunda leyes de Fick.

Conclusión

La difusión en estado estacionario y la difusión en estado inestable son dos tipos de difusión. Ambos tipos pueden ser descritos cuantitativamente por las leyes de Fick. La principal diferencia entre la difusión en estado estable y la difusión en estado inestable es que la difusión en estado estable tiene lugar a una velocidad constante, mientras que la difusión en estado estacionario es una función del tiempo..

Referencia:

1. “Mecanismos de difusión”. Capítulo 5. Difusión, disponible aquí.
2. “Difusión viscoelástica (no fickiana)”. The Canadian Journal of Chemical Engineering, vol. 83, diciembre de 2005, pp. 913-915., Disponible aquí.
3. "Multiphysics Cyclopedia". COMSOL, disponible aquí.