Закон диффузии Фика

В основе процесса переноса влаги за счет диффузионно-осмотических сил лежит закон диффузии Фика, устанавливающий взаимосвязь между количеством перемещенного вещества и его концентрацией

где i - диффузионный поток вещества, т.е. масса вещества, проходящая за единицу времени через единицу площади;

D - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом диффузии, м²/ч;

dc\dx - градиент концентрации, характеризующий быстроту ее изменения, кг/м⁴.

Если положительное направление оси х совпадает с направлением диффузии, то градиент концентрации будет величиной отрицательной. Знак минус в правой части уравнения показывает, что диффузионный поток вещества направлен в сторону убывания концентрации.

Сопоставление аналитического выражения закона Фика с законом теплопроводности Фурье указывает на сходство между ними. Аналогично процессу теплообмена, протекание которого обусловливается наличием перепада температур, для диффзионного переноса необходима разность концентраций вещества. Под ее влияниям масса вещества будет диффундировать из среды с высокой концентрацией в среду с меньшей концентрацией.

Коэффициент диффузии D численно равен диффузионному потоку при градиенте концентрации, равном единице. Иначе говоря, он равен количеству продиффундировавшего через единицу поверхности в единицу времени вещества, при единичном перепаде концентрации. Для газов, взятых при нормальных условиях, величина D изменяется в широких пределах от 0,04 до 0,5 м²/ч.

Экспериментальная проверка закона Фика по набуханию коллоидных тел показала, что коэффициент диффузии жидкости находится в прямой зависимости от температуры и от парциального давления пара в материале, обусловливаемым его влажностью. Так как в процессе сушки влажных материалов внутренняя диффузия пара имеет место при испарении адсорбционной воды, то связь между парциальным давлением пара и влажностью может быть установлена по изотермам десорбции.

Перенос жидкости в капиллярно-пористых телах под воздействием температурного градиента происходит по направлению теплового потока. С повышением температуры изменяются параметры жидкости: поверхностное натяжение и вязкость уменьшаются, а упругость пара увеличивается. Это приводит к тому, что под влиянием температурного градиента жидкость будет перемещаться от более нагретых мест к менее нагретым. Явление переноса жидкости по направлению потока тепла названо А. В. Лыковым термовлагопроводностью капиллярно-пористого тела.

Иной механизм термовлагопроводности в торфе был предложен Г. И. Покровским и Н. А. Наседкиным. Перемещение влаги в пористом теле, обусловленное температурным градиентом внутри его, может быть вызвано наличием так называемого «защемленного» воздуха. Не сообщаясь с атмосферой, «защемленный» воздух при повышении температуры увеличивает свое давление. Пузырьки воздуха расширяются и проталкивают жидкость в капилляре по направлению потока тепла.

Для рассматриваемого случая коэффициент термовлагопроводности δ определяется соотношением

где ∇u - градиент влагосодержания материала, %/м;

∇t - градиент температуры по нормали к изотермической поверхности материала, град/м.