title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Молекулярно-диффузионный перенос

Молекулярно-диффузионный перенос

Под молекулярной диффузией понимается процесс переноса вещества вследствие теплового движения молекул. Диффузия происходит в направлении падения концентрации вещества и ведет к выравниванию распределения его по всему занимаемому объему.
Диффузия происходит в газах, жидкостях и твердых телах, причем диффундировать могут как находящиеся в них частицы посторонних веществ, так и собственные частицы (самодиффузия).
Наиболее быстро диффузия происходит в газах. Поэтому при рассмотрении движения подземных флюидов в парообразном состоянии этот процесс может рассматриваться как один из основных. Молекулярная диффузия подземного водяного пара приводит к довольно быстрому выравниванию его содержания в почвах и грунтах.
В жидкости в соответствии с характером теплового движения молекул диффузия осуществляется путем их скачка из одного временного положения равновесия в другое. Каждый скачок происходит при сообщении молекуле энергии, достаточной для разрыва ее связей с соседними молекулами и перехода в окружение других молекул, т. е. в новое энергетически выгодное положение. Количество диффундирующего вещества увеличивается с ростом температуры, что обусловлено «разрыхлением» структуры жидкости при нагреве и соответствующим увеличением числа перескоков в единицу времени.
Экспериментально установлено, что процессы молекулярной диффузии в водонасыщенной пористой среде развиваются аналогично процессам в свободной среде (т. е. в обычной жидкости). Диффузионный поток через поперечное сечение w может быть определен по закону Фика

где Qд — диффузионный поток (выражается расходом, например, г/сут); Dм — коэффициент молекулярной диффузии; dC/dl — градиент концентраций в направлении l.
Для песчаных пород коэффициент молекулярной диффузии может быть определен как

где na — активная пористость; X — параметр, характеризующий извилистость пути движения частицы в пористой среде (для разнозернистых песков X = 0,5/0,7; для сцементированных песков Х = 0,25/0,5); Dм0 — коэффициент молекулярной диффузии в свободной среде (Dм0 = 10в-4 м2/сут).
В глинистых породах процессы диффузии несколько усложняются. В частности, на диффундирующие частицы заметное влияние начинают оказывать силы молекулярного притяжения со стороны минерального скелета. Возникает своеобразное торможение диффузионного процесса в пристенных слоях жидкости за счет уменьшения подвижности ионов в двойном электрическом слое и большей вязкости структурированных жидкостей пристенных слоев. В этом случае при расчете коэффициента молекулярной диффузии вводится некоторый поправочный коэффициент фм, тогда

По экспериментальным данным коэффициент фм имеет следующие значения: для бентонитовых глин 0,2; для моренных и лессовых суглинков 0,4/0,5.
Закон Фика [формула (5.24)] справедлив для изотермических процессов и при независимой диффузии, т. е. в случае, когда диффузия одного компонента не влияет на диффузию остальных компонентов. Независимая диффузия проявляется, например, в смесях, состоящих из двух веществ (вода + растворенный компонент) или содержащих избыток одного из компонентов, а также при одинаковых значениях коэффициентов диффузии для всех компонентов смеси. При невыполнении этих условий возникают более сложные явления неизотермической многокомпонентной диффузии.
Явление молекулярной диффузии возникает не только при наличии в среде градиента концентраций. Оно может возникать также под действием внешнего электрического поля (электродиффузия), когда происходит диффузия заряженных частиц (например, растворенных в воде катионов и анионов). Действие поля силы тяжести или давления вызывает бародиффузную, в неравномерно нагретой среде возникает термодиффузия.
Подчеркнем, что процессы молекулярной диффузии проявляются повсеместно и играют важную роль во многих гидрогеологических явлениях. Например, как было сказано ранее, при градиентах напора, меньших начальных, можно говорить об отсутствии гидравлического переноса вещества, молекулярный же перенос частиц воды остается, хотя и протекает со значительно меньшими скоростями, чем фильтрация.
Диффузионно-молекулярный перенос подземных вод может стать основным типом движения в глубоких зонах литосферы. В этих зонах проницаемость пород обычно очень невелика, и поэтому фильтрационный поток может оказаться пренебрежимо малым но сравнению с диффузионным.
Заканчивая, обращаем Ваше внимание на то, что в ней появилось много новых специальных терминов, которые будут широко использоваться в последующих курсах: фильтрация и миграция, водоотдача, расход, гидравлический градиент, коэффициенты фильтрации и проницаемости, скорость фильтрации и действительная скорость движения подземных вод, молекулярная диффузия и др. Некоторые из этих терминов имеют разнообразное пользование, например расход воды (в реке), расход (производительность) скважины и колодца, расход потока. Они имеют и свои синонимы. Например, применительно к источникам — выходам воды на поверхность — говорят не расход, а дебит источников (количество воды, вытекающее в единицу времени).
Поэтому очень важно правильно запомнить и освоить эту терминологию, так как на ее основе рождается, если так можно выразиться, гидрогеологический «язык», т. е. язык, на котором общаются профессионалы-гидрогеологи. И последующие главы также будут насыщены специальной терминологией, но особенность только что прочитанной главы состоит в том, что в ней термины характеризуют гидрогеологические параметры, используемые для разнообразных расчетов. Например, они применяются для определения притоков воды в скважину, колодец, горные выработки, для изучения взаимосвязи водоносных горизонтов между собой и с поверхностными водотоками, для расчета запасов подземных вод, прогноза изменения режима подземных вод и решения других вопросов. На первом этапе знакомства с физическими формами массопереноса в системе вода—порода следует попробовать решить задачи, предлагаемые в учебных пособиях. Это поможет понять физический смысл фильтрационных и миграционных задач, подготовит к будущей инженерной деятельности, поскольку гидрогеологу в своей практической работе прежде всего приходится давать количественные оценки гидродинамических процессов, будь то мелиорация, шахтная гидрогеология, поиски и разведка подземных вод или что-то другое.
Изучение геофизических полей и массопереноса в системе вода—порода позволяет использовать математические методы в гидрогеологии, что будет показано в последующих курсах (динамика подземных вод, гидрогеохимия, поиски и разведка подземных вод). Эти методы позволяют проводить, как отмечалось ранее, численное моделирование для изучения гидрогеологических процессов, для прогнозирования поведения и развития сложных гидрогеологических, геофизических и геохимических систем в тех или иных условиях.

title-icon Подобные новости