Необходимо отметить, что используемые в опытах методологические подходы и аналитические уравнения для их описания во многих случаях полностью отражают реальные технологические процессы. Рассмотрим несколько наиболее типичных задач и покажем, как они могут быть реализованы при решении проблем медицины, защиты окружающей среды, коррозии металлов. Мне кажется, что очень показательна в этом случае нерешенная задача, связанная с определением комфортных условий для человека в системе: среда — одежда (обувь) — человек. С точки зрения диффузионных процессов мы можем абстрагироваться от человека как индивидуума, а рассматривать его как некоторый «источник» паров воды периодического действия, работа которого иногда сопровождается вспышками, связанными с эмоциональным состоянием. В этом случае роль одежды (а это, как правило, пористый полимерный материал) сводится к созданию таких условий в пространстве под одеждой, чтобы влажность и температура либо сохранялись постоянными, либо изменялись достаточно медленно, чтобы организм успевал адаптироваться к условиям окружающей среды. Очевидно, что решение этой проблемы требует, с одной стороны, постановки эксперимента, с помощью которого можно было бы получить необходимую информацию о коэффициентах диффузии пористых материалов, с другой—" количественные сведения о периодичности источника и его производительности, с третьей — привлечь исследователей, специалистов в области феноменологической теории диффузии, которые помогли бы создать математический образ системы, записать и решить дифференциальные уравнения и найти такое соотношение между параметрами сорбции, пористой структуры, коэффициентов переноса, которые бы обеспечили комфортные условия во внутри-одеждном пространстве. Эта информация должна была бы послужить технологам путеводным маяком для создания новых более совершенных типов полимерных пористых материалов.
|
|
Хочется обратить внимание на еще одну интересную возможность, которую открывает совместный анализ экспериментальной и феноменологической сторон явления. Практика показывает, что при описании процессов следует обращать внимание не только на расчет констант диффузии, но и на совпадение экспериментальных кинетических зависимостей с аналитическими выражениями, получаемыми в рамках феноменологической теории. Отклонение этих зависимостей следует рассматривать не как несовершенства математической модели, а как информацию о структурно-химических особенностях строения исследуемого объекта.
Например, в сорбционных измерениях, выполняемых в изобарно-изотермических условиях, предполагается, что после установления заданных условий мгновенно на поверхности образца устанавливается равновесная растворимость диффузанта и в дальнейшем диффузия идет из этого слоя в его объем. По истечении некоторого времени достигается сорбционное равновесие и процесс диффузии завершается. Если на одной из стадий диффузионного насыщения материала наблюдается снижение веса образца, то это означает, что процесс сопровождается его кристаллизацией. Однако, если в течение длительного времени не устанавливается сорбцпонное равновесие, то это, в свою очередь, связано с химическими реакциями, происходящими в материале под влиянием окружающей среды или проникшего диффузанта. В последнем случае диффузионные измерения могут быть использованы для расчетов констант химических реакций.
|
|
Третья сторона «четырехугольника» касается молеку-лярно-кинетических аспектов диффузионных процессов. Перед ней стоит задача: проанализировать элементарный акт диффузии, затем, зная структурно-морфологические особенности строения исследуемого образца, рассчитать значения коэффициента диффузии, установить его количественную взаимосвязь с внешними параметрами, молеку-лярно-кинетическими характеристиками диффундирующих частиц и диффузионной среды. Потому, что в этом случае диффузионный процесс рассматривается, как правило, в однофазной гомогенной системе. Если речь идет о гетерогенной среде, состоящей из нескольких фаз, с разными диффузионными константами по отношению к проникающим в них частицам, то эта проблема массопереноса решается в рамках феноменологической стороны «четырехугольника».
Безградиентные методы
Описанные выше методы позволяют получать информацию о коэффициентах взаимодиффузии либо о парциальных коэффициентах диффузии, но при наличии перепада концентрации, когда в диффузионной зоне возникают растворы переменного состава. Для определения коэффициентов самодиффузии разработана группа специальных «безградиентных» методов, наибольшее распространение среди которых нашли методы радиоактивных меток и спин-эхо. Речь о взаимосвязи между этими коэффициентами пойдет ниже. Здесь лишь укажем, что молекулярно-кинетическая сторона «четырехугольника» касается расчетов коэффициентов самодиффузии или парциальных коэффициентов самодиффузии компонентов.