Différence entre la diffusion fickienne et non fickienne

Différence principale - Diffusion Fickienne vs Non Fickienne

La diffusion est le mouvement de molécules d'une région à forte concentration vers une région à faible concentration. En d'autres termes, les molécules se déplacent à travers un gradient de concentration. Par conséquent, les facteurs qui affectent le gradient de concentration affecteront également la diffusion. Cependant, la diffusion dans les substances solides telles que les polymères est très différente de celle des liquides et des gaz. Les lois de Fick sont un ensemble d'équations qui peuvent être utilisées pour expliquer la diffusion dans les solides. La diffusion fickienne et la diffusion non fickienne sont deux formes de diffusion décrites à l'aide des lois de Fick. La diffusion fickienne obéit aux lois fickiennes alors que la diffusion non fickienne n'obéit pas aux lois fickiennes. La principale différence entre la diffusion fickienne et non fickienne est la présence ou l'absence de limites; il n'y a pas de limites dans la diffusion fickienne alors que la diffusion non fickienne a une frontière nette séparant la région fortement gonflée d'une région sèche et vitreuse.

Zones clés couvertes

1. Quelles sont les lois de Fick
     - Explication, première loi, deuxième loi
2. Qu'est-ce que Fickian Diffusion?
     - Définition, explication
3. Qu'est-ce que la diffusion non fickienne?
      - Définition, différents types
4. Quelle est la différence entre la diffusion fickienne et non fickienne
     - Comparaison des différences clés

Termes clés: diffusion, diffusion, diffusion fickienne, première loi de Fick, seconde loi de Fick, diffusion non fickienne, stress, gonflement

Quelles sont les lois de Fick

Les lois de diffusion de Fick ont ​​été introduites par Adolf Fick en 1855. Ces lois donnent la description la plus simple de la diffusion. Il y a deux lois de Fick comme indiqué ci-dessous.

1. Le flux molaire à travers une unité de surface du matériau est proportionnel au gradient de concentration.
2. La concentration change en fonction du temps en fonction du changement de flux par rapport à la position.

La première loi de Fick

Selon la première loi de Fick, le flux molaire (flux de soluté) à travers une unité de surface du matériau est proportionnel au gradient de concentration. Ici, la constante de proportionnalité est appelée coefficient de diffusion. La diffusion est le mouvement des composants d’une concentration élevée à une concentration faible à travers un gradient de concentration. C'est l'idée simple de la première loi de Fick. La loi peut être donnée dans une équation mathématique par:

J = -D (dϕ / dx)

J est le flux de diffusion; sa dimension est la quantité de substance par unité de surface par unité de temps; donc l'unité est mol m⁻² s⁻¹.

D est le coefficient de diffusion. Il est également connu sous le nom de diffusivité. La dimension de cette composante est la surface par unité de temps; donc l'unité est m²/ s.

Est la concentration. Il est donné par l'unité mol / m³.

x est la position d'un soluté. La dimension de ce composant est la longueur. Il est donné par l'unité m.

Coefficient de diffusion est proportionnelle aux facteurs suivants.

• Vitesse au carré des particules diffusantes
• Température
• Viscosité du fluide
• Taille des particules

Deuxième loi de Fick

La seconde loi de diffusion de Fick est utilisée pour prédire comment la concentration change avec le temps lorsque la diffusion se produit. Selon la seconde loi de Fick, la concentration change en fonction du temps en fonction du changement de flux en fonction de la position. Il est donné par une équation de différenciation partielle comme ci-dessous.

δϕ / δt = D δ²ϕ / δx²

ϕ est la concentration (une dimension qui dépend du temps et de l'emplacement (x)). 

t est le temps (donné par s)

D est le coefficient de diffusion.

X est la position (donnée par les dimensions de la longueur).

L'équation ci-dessus est donnée pour la diffusion dans une dimension. Pour deux dimensions ou plus, des équations plus complexes sont données.

Qu'est-ce que Fickian Diffusion?

Dans les gaz et les liquides, la diffusion ne crée pas de champ de contraintes. Mais dans les solides, une contrainte particulière est créée en raison de la présence de pénétrants gonflants. Ce stress peut même provoquer des fissures qui, en d'autres termes, induisent des changements morphologiques. Ensuite, ces champs de gonflement et de stress peuvent affecter la diffusion. Les effets du gonflement et du stress peuvent être:

• par des changements morphologiques
• par des changements de solubilité
• en changeant la diffusivité (cela dépend des contraintes)
• par dépendance au flux du stress.

Un critère fondamental de la diffusion fickienne est que la concentration de la surface atteigne sa valeur d'équilibre immédiatement après un changement de conditions et reste constante tout au long du processus de sorption. Par exemple, dans un système matrice résine, les segments de la chaîne polymère à la surface doivent atteindre instantanément la saturation..

La diffusion fickienne est rarement observée pour le transport d'un liquide à travers un polymère vitreux. Si l'absorption de masse M peut initialement être représentée par,

M = ktⁿ

t est le temps, et k et n sont des constantes pour la diffusion de Fickian, n = ½.

Qu'est-ce que la diffusion non fickienne?

La diffusion non fickienne est la diffusion qui se produit sans obéir aux lois de diffusion de Fick. En 1946, le concept de diffusion non fickienne a été mis en avant lors de la discussion sur le gonflement et le rétrécissement par la société Faraday. Ce concept stipule que, dans certains systèmes de polymères, il existe des frontières nettes qui se déplacent linéairement avec le temps entre les régions gonflées et non gonflées. Après environ 20 ans, Alfrey a appelé cela la "diffusion de Case II" qui est maintenant reconnue comme une diffusion de type non fickienne. Il existe quatre types de diffusion non fickienne, comme indiqué ci-dessous.

1. Diffusion classique
2. Diffusion sigmoïdale
3. Cas II diffusion
4. Diffusion en deux étapes

 Si l'absorption de masse M peut initialement être représentée par,

M = ktⁿ

t est le temps, et k et n sont des constantes, alors on peut prédire ce qui suit.

• La valeur de n pour la diffusion sigmoïdale (anomale) peut être donnée par: ½ < n < 1.
• La valeur de n pour la diffusion du cas II est 1.

Figure 1: Diffusion moléculaire

Caractéristiques de la diffusion non fickienne

• Une frontière nette qui sépare la région très gonflée d'une région sèche et vitreuse
• Le front pointu pénètre dans le polymère avec une vitesse constante, entraînant une augmentation linéaire de la quantité de fluide absorbée avec le temps.
• Un petit précurseur fickien existe dans la région sèche en avant du front
• Il y a un temps d'induction initial pendant lequel la limite nette est établie près de la surface du film.

Différence entre la diffusion fickienne et non fickienne

Définition

Diffusion fickienne: La diffusion fickienne est une forme de diffusion qui obéit aux lois fickiennes..

Non fickien La diffusion: La diffusion non fickienne est toute forme de diffusion qui n'obéit pas aux lois fickiennes..

Valeur de n dans l'équation d'absorption de masse

Diffusion fickienne: Pour la diffusion de Fickian, n = ½ dans l'équation d'absorption de masse.

Non fickien La diffusion: La valeur de n pour la diffusion sigmoïdale (anomale) peut être donnée par: ½ < n < 1 and for case II diffusion value of n is 1.

Présence de limites

Diffusion fickienne: Aucune limite ne peut être observée dans la diffusion fickienne.

Non fickien La diffusion: Une frontière nette qui sépare la région très gonflée d'une région sèche et vitreuse peut être observée dans la diffusion non fickienne.

Mouvement du front tranchant

Diffusion fickienne: Un front net est absent dans la diffusion fickienne.

Non fickien La diffusion: Le front tranchant en diffusion non fickienne pénètre dans le polymère à vitesse constante, entraînant une augmentation linéaire de la quantité de fluide absorbée dans le temps.

Conclusion

La diffusion fickienne et la diffusion non fickienne sont deux formes de diffusion. La diffusion fickienne peut être expliquée à l'aide de la loi de Fick, mais pas la diffusion non fickienne. La principale différence entre la diffusion fickienne et non fickienne est que la diffusion fickienne obéit aux lois fickiennes alors que la diffusion non fickienne n'obéit pas aux lois fickiennes..

Référence:

1. «Diffusion viscoélastique (non fickienne)», Revue canadienne de génie chimique, vol. 83, décembre 2005, p. 913-915., Disponible ici.
2. “Multiphysics Cyclopedia.” COMSOL, disponible ici.
3. «Les lois de diffusion de Fick». Wikipedia, Wikimedia Foundation, 22 janvier 2018, disponible ici..

Courtoisie d'image:

1. “DiffusionMicroMacro” Par Sbyrnes321 - Travail personnel (domaine public) via Commons Wikimedia