热致扩散

索瑞(Soret)效应

热致扩散,又称索瑞(Soret)效应,是物体在加热或冷却过程中,各部分温度趋向一致能力的特征参数。又称导温系数。热扩散可以用于同位素的分离、沸点接近的物质分离,以及用于传统分离方法难以取得良好效果的物质分离。人们也可以观察到膜中的热渗透现象。

简介
质扩散和热传导耦合引起的热质扩散,常称之为索瑞效应和杜伏效应。在热质扩散中,由于温度梯度引起混合物中出现附加的浓度梯度而造成传质,是于1893年由索瑞(C. Soret)在液体中发现的。杜伏效应则是指由于各种物质互相扩散引起温度梯度,或者说,由于有浓度梯度引起温度梯度,这是杜伏(L. Dufour)于1872年在气体中发现的。杜伏效应是索瑞效应的逆效应。
浓度梯度的形成
在温度梯度中,原子有可能而且确实发生运动,因为在元素A的原子上有一驱动力fA,例如Denbigh(1951)给出此力的大小为:
式中Q*为迁移热,是一个大小或符号都难以估计的量,但在物理意义上是造成扩散跃迁的原子的过剩能量。对于一种气体或液体夹杂,Q为每个原子蒸发或熔化的潜热,但似乎没有确定Q*的通用法则适用于原子迁移(Ho,1966I Nichols,1972)。
对于通过空位机制进行扩散的金属的Q*值,有一个简单模型指出:
其中Em为空位移动的能量,β为稍低于1的因数,Et为空位的形成能。这个模型是以下述看法为根据的:原子的移动将沿温度梯度向下传输其一部分运动所需激活能(其余部分被周围原子传输),但运动要求沿空位的温度梯度向上迁移,这将传输其形成能。Ho指出,看来这种模型对于电子结构简单的金属(金,银,钢,铝)是相当适用的。这一结论得到Swalin和Yin(1967)的支持,但对某些过渡族金属,如钻、铁,钛和钻,发现的很大的热迁移值与简单的理论不一致。
热致扩散及其研究方法
当一个温度场外加给一种材料(或一个系统)时,在这种材料或系统内,就会发生热扩散,这就是Soret效应。Walker(1982)介绍了一种方法,研究Soret效应。他把洋中脊玄武岩研磨成粉末,在直径为2.4mm的Mo棒上,钻出φ1.6mm x8mm的圆柱形空穴,把样品装入其中,在活塞圆筒装置中进行实验。Mo棒圆柱形空穴的热端温度保持在1480±75℃,冷端保持在1215±75℃,压力为l0kbar,在干的条件下,加热137小时,热端放在垂直位置的下面,冷端放在上面,这样可以防止重力作用对Soret效应的影响。实验原样经电子探针分析,热端液体相当于安山岩质,冷端液体为Fe苦橄质(Ferro picfitic)。各种氧化物的扩散效府如图1:玄武岩样品氧化物重量百分比随温度梯度变化图所示。
从图1:玄武岩样品氧化物重量百分比随温度梯度变化图可以看出,外界的温度梯度使天然岩浆中的Fe、Mg、Ca、Ti等组分向冷端扩散,而Si、Al、Na、K等组分向热端扩散,这就是有名的Soret效应在岩浆作用中的体现。
因而,在低温端形成“链”和“环”为主的聚合体,在热端形成具架状结构的“三维网络”聚合体,显然,热端的“三维网络”聚合体的质量要低于冷端“链”和“环”等聚合体的质量。Soret效应就这样使岩浆中不同元素,因为所结合的结构单元存在“质量差”而分离。在这里,Soret效应与流体不混熔(液体熔离作用)作用分选结构单位的情形相似,但分选机制不同。在熔离作用中分选机制是由熔体结构上的不协调(不匹配)所致。
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