Na física, o coeficiente de difusão ou difusividade de massa é um valor que representa a facilidade com que cada soluto em particular se move em um solvente determinado. É uma proporcionalidade constante entre o fluxo molar devido a difusão molecular e o gradiente na concentração de espécies (ou pela força condutora para a difusão). A difusividade é encontrada na lei de Fick e numerosas outras equações da físico-química, relacionadas com a difusão de matéria ou energia
É geralmente adequada para um dado par de espécies químicas. Para um sistema multicomponente, é recomendável para cada par de espécies no sistema.
Depende de três fatores:
Tamanho e forma do soluto Viscosidade do solvente Temperatura
Quanto maior a difusividade (de uma substância em relação à outra), mais rápido elas difundem-se uma na outra.
Este coeficiente tem unidades no SI de m²/s (comprimento²/tempo).
Dependência da temperatura do coeficiente de difusão
Tipicamente, o coeficiente de difusão de um composto é aproximadamente 10.000 vezes maior no ar que em água. Dióxido de carbono, por exemplo, no ar tem um coeficiente de difusão de 16 mm²/s, e em água seu coeficiente é 0,0016 mm²/sDiffusion - www.cco.caltech.edu .
O coeficiente de difusão em sólidos a diferentes temperaturas é frequentemente encontrado e bem predito pela equação
onde é o coeficiente de difusão é o coeficiente de difusão máximo (a temperatura infinita) é a energia de ativação para difusão em dimensões de [energia (quantidade de substância)−1] é a temperatura em unidades de [temperatura absoluta] (kelvins ou graus Rankine) é a constante dos gases em dimensões de [energia temperatura−1 (quantidade de substância)−1]
Uma equação desta forma é conhecida como a equação de Arrhenius.
Uma dependência aproximada do coeficiente de difusão da temperatura em líquidos pode frequentemente ser encontrado usando a equação de Stokes-Einstein, a qual prevê que:
onde: T1 e T2 denota temperaturas 1 e 2, respectivamente D é o coeficiente de difusão (cm²/s) T é a temperatura absoluta (K), μ é a viscosidade dinâmica do solvente (Pa·s)
A dependência do coeficiente de difusão da temperatura para gases pode ser expressa usando-se a teoria de Chapman-Enskog (predições precisas na média em aproximadamentre 8%):
onde: 1 e 2 indexas os dois tipos de moléculas presentes na mistura gasosa T – temperatura (K) M – massa molar (g/mol) p – pressão (atm) – o diâmetro médio de colisão (os valores são tabuladosJ. Hirschfelder, C. F. Curtiss, R. B. Bird: Molecular Theory of Gases and Liquids. Wiley, New York, 1954, ISBN 0471400653) (Å) Ω – um integral de colisão dependente da temperatua (os valores são tabulados mas usualmente de ordem 1) (adimensional). D – coeficiente de difusão (o qual é expresso em cm2/s quando as outras magnitudes são expressas nas unidades dadas acima).
Dependência da pressão do coeficiente de difusão
Para autodifusão em gases a duas pressões diferentes (mas a mesma temperatura), a seguinte equação empírica tem sido sugerida:E.L. Cussler, "Diffusion. Mass Transfer in Fluid Systems", 2nd edition, Cambridge University Press, 1997.
onde: P1 e P2 denotam pressões 1 e 2, respectivamente D é o coeficiente de difusão (m²/s) ρ é a densidade mássica do gás (kg/m3)
Difusividade efetiva em meio poroso
O coeficiente de difusão efetivaP. Grathwohl:Diffusion in natural porous media: Contaminant transport, sorption / desorption and dissolution kinetics. Kluwer Academic Publishers, 1998, ISBN 0-7923-8102-5 descreve a difusão através dos espaços dos poros de um meio poroso. Ele é macroscópico na natureza, porque não são poros individuais mas o espaço poroso inteiro que necessita ser considerado. O coeficiente de difusão efetiva para transporte através dos poros, De, é estimado como segue:
onde:
D - coeficiente de difusão em gas ou líquido preenchendo os poros (m2s−1) εt - porosidade disponível para o transporte (adimensional) δ - constrictividade (adimensional) τ - tortuosidade (adimensional)
A porosidade disponível para o transporte é igual à porosidade total menos os poros que, devido ao seu tamanho, não são acessíveis às partículas de difusão, e menos becos sem saída e poros cegos (i.e., poros sem estar conectado com o resto do sistema de poros).
A constrictividade descreve o abrandamento da difusão por aumento da viscosidade em poros estreitos como resultado de uma maior proximidade com a parede de poros médios. É uma função do diâmetro dos poros e o tamanho das partículas em difusão.
Referências
Ligações externas
Everton G. de Santana; Medida do coeficiente de difusão - www.fisica.ufs.br
Um experimento didático sobre Coeficiente de Difusão: DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE DIFUSÃO - www.qmc.ufsc.br ou em PDF - www.qmc.ufsc.br
Ver também
Difusão atômica Coeficiente de difusão efetivo Coeficiente de difusão de retículo
Categoria:Físico-química Categoria:Mecânica estatística