Transzportjelenség

Transzportjelenség fogalmán a rendszert alkotó részecskéknek vagy extenzív fizikai mennyiségnek, a tér egyik részéből egy másik részébe történő elmozdulását, átadását, vezetését (szállítását) értjük.

Az alábbi folyamatok tartoznak a transzport jelenségek közé:

A folyamatok során rendre kémiai anyagmennyiség, impulzus, hő, valamint elektromos töltés jut el – áramlással, vezetéssel, átadással – a rendszer egyik pontjából a tér másik helyére. A jelenség fellépésének az az oka, hogy a rendszer nem homogén, vagyis benne legalább egy intenzív fizikai mennyiség a helytől függetlenül nem azonos.

A transzportjelenségek vizsgálatában elért eredményeiért Lars Onsager norvég fiziko-kémikus 1968-ban kémiai Nobel-díjat kapott.

Tartalomjegyzék

1 Példák
2 Néhány fontosabb transzportjelenség
3 Áram, fluxus, hajtóerő
4 Áramsűrűségek
5 Kereszteffektusok
6 Transzport jelenségek összefoglaló táblázata
7 További információk

Példák [szerkesztés]

Tapasztalatból ismerjük, hogy ha a rendszeren belül például a hőmérséklet pontról pontra nem azonos, akkor önként olyan folyamat indul el, hogy a hőmérséklet kiegyenlítődjék. Hő áramlik a nagyobb hőmérsékletű helyről a kisebb felé. A transzport jelenség neve: hővezetés.

Ha egy többkomponensű rendszeren beül valamely komponens koncentrációja nem azonos, akkor önként olyan folyamat indul el, hogy a koncentráció kiegyenlítődjék. Meghatározott anyagi részecskék áramlanak a nagyobb koncentrációjú helyről a kisebb felé. A transzport jelenség neve: diffúzió.

Ha egy áramló fluid (légnemű vagy folyékony) rendszeren belül a részecskék sebessége nem azonos, akkor impulzus átadással igyekszenek azonos sebességre szer tenni. A transzport jelenség neve: viszkozitás.

Ha elektromos töltéssel rendelkező rendszerben (ionokat tartalmazó rendszer) az elektromos potenciál nem azonos, akkor a töltéssel rendelkező részecskék a térerőtől és töltésük minőségétől függően meghatározott irányba mozdulnak el. A transzport jelenség neve: elektromos vezetés.

Néhány fontosabb transzportjelenség [szerkesztés]

Törvény	Extenzív mennyiség fluxusa	Intenzív mennyiség feszültésge	vezetőképesség
Fourier	belső energia	hőmérséklet	hővezetőképesség
Ohm	elektromos töltés	elektromos potenciál	elektromos vezetőképesség
Fick	tömeg	sűrűség	diffúziós együttható
Hagen-Poiseuille	térfogat	nyomás	térfogat-vezetőképesség
Darcy	térfogat	nyomás	szivárgási együttható
Newton	impulzus	sebesség	viszkozitási együttható

Áram, fluxus, hajtóerő [szerkesztés]

A transzport (vezetés, szállítás) során tehát valamilyen extenzív fizikai mennyiség (tömegtől függő) árama alakul ki intenzív fizikai mennyiség, gradiensének, mint termodinamikai „hajtóerőnek” a hatására.

Valamely Y-nal jelölt extenzív mennyiség áramán (J) az extenzív mennyiség időegységre eső megváltozását értjük. Ha ezt az áramlás keresztmetszetére, azaz felületegységre vonatkoztatjuk, az áramsűrűséget (j) kapjuk. Az áramsűrűségnek gyakran használatos másik megnevezése a fluxus. Vagyis az áram és az áramsűrűség definíció szerint:

$J = \frac{\mathrm{d}Y}{\mathrm{d}t}$ , illetve

$j = \frac{J}{A}=\frac{\mathrm{d}Y}{A\mathrm{d}t}$ .

Áramsűrűségek [szerkesztés]

A fent említett hajtóerők és a hatásukra kialakuló áramsűrűségek vektor jellegű mennyiségek. Irányuk egymással ellentétes, amit a kifejezésekben negatív előjellel veszünk figyelembe. Az áramsűrűségek az alábbiak:

Viszkozitás esetén: impulzus áramsűrűség: j_mv

$j_{mv} = \frac{\mathrm{d}mv}{A\mathrm{d}t} = -\eta\frac{\mathrm{d}v}{A\mathrm{d}x} = -\eta\mathrm{grad}v$ .

Diffúzió esetén: komponens áramsűrűség: j_n

$j_{n} = \frac{\mathrm{d}n}{A\mathrm{d}t} = -D\frac{\mathrm{d}c}{A\mathrm{d}x} = -D\mathrm{grad}c$ .

Hővezetés esetén: hő áramsűrűség: j_Q

$j_{Q} = \frac{\mathrm{d}Q}{A\mathrm{d}t} = -\lambda\frac{\mathrm{d}T}{A\mathrm{d}x} = -\lambda\mathrm{grad}T$ .

Elektromos vezetés esetén: elektromos töltés áramsűrűség: j_q

$j_{q} = \frac{\mathrm{d}q}{A\mathrm{d}t} = -\kappa\frac{\mathrm{d}U}{A\mathrm{d}x} = -\kappa\mathrm{grad}U$ .

A fenti összefüggéseket megvizsgálva az mondható, hogy a transzport jelenségek mennyiségi viszonyait ugyanolyan típusú differenciál egyenlet írja le: a megfelelő transzport során kialakuló áramsűrűség (fluxus) egyenesen arányos a megfelelő hajtóerővel és egy ún. vezetési együtthatóval:

$j = \ -LX$ , áramsűrűség, vagy fluxus

$L= \eta, \ D, \lambda, \kappa$ vezetési együtthatók

$X= \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}x} , \frac{\mathrm{d}c}{\mathrm{d}x} , \frac{\mathrm{d}T}{\mathrm{d}x} , \frac{\mathrm{d}U}{\mathrm{d}x}$ , hajtóerők

Kereszteffektusok [szerkesztés]

Egy-egy intenzív mennyiség gradiensének hatására többféle extenzív mennyiség árama alakulhat ki. Úgynevezett kereszteffektusok lépnek fel. Például elektromos térerőben elektromos töltés transzport megy végbe, de elektrolitok esetén szükségszerűen komponens transzport (elektrolízis) is lejátszódik, mert maguk az ionok szállítják a töltéseket. Fémes vezetők esetén pedig a töltés szállítással együtt hőáram is kialakulhat (Peltier-effektus).

Hasonló okok miatt hőmérséklet gradiens hatására nem csak hőáram jön létre, hanem komponens áram (termodiffúzió) és elektromos töltésáram (Seebeck-effektus) is kialakulhat.

A hajtóerők és a transzportok közötti kapcsolatot és a megfelelő folyamatotokat az alábbi táblázat összefoglalóan mutatja be.