Введение

Проникновение жидкости, газа или пара через твердое тело В физике и технике, проникновение (также называемое имбуированием) - это проникновение проникающего вещества (жидкости, газа или пара) через твердое тело. Он напрямую связан с градиентом концентрации проницаемого вещества, внутренней проницаемостью материала и массовой диффузивностью материала. Проникновение моделируется уравнениями, такими как законы диффузии Фика, и может быть измерено с помощью таких инструментов, как минипермеметр.

Описание

Процесс проникновения включает в себя диффузию молекул, называемых проницаемыми, через мембрану или интерфейс. Пермеация работает через диффузию; проницаемость будет перемещаться от высокой концентрации к низкой концентрации через интерфейс. Материал может быть полупроницаемым, при наличии полупроницаемой мембраны. Только молекулы или ионы с определенными свойствами смогут диффундировать через такую мембрану. Это очень важный механизм в биологии, когда жидкости внутри кровеносных сосудов должны регулироваться и контролироваться. Проникновение может происходить через большинство материалов, включая металлы, керамику и полимеры. Однако проницаемость металлов намного ниже, чем у керамики и полимеров, из-за их кристаллической структуры и пористости. Проницаемость - это то, что должно быть тщательно рассмотрено во многих полимерных приложениях из-за их высокой проницаемости. Проницаемость зависит от температуры взаимодействия, а также от характеристик как полимера, так и проницаемого компонента. В процессе сорбции молекулы проницаемого вещества могут либо поглощаться, либо десорбироваться на интерфейсе. Проницаемость материала может быть измерена с помощью многочисленных методов, которые количественно определяют проницаемость вещества через конкретный материал. Проницаемость из-за диффузии измеряется в единицах СИ mol/{m·s·Pa}, хотя также обычно используются бареры. Проницаемость, обусловленная диффузией, не следует путать с проницаемостью (земные науки), обусловленной потоком жидкости в пористых твердых веществах, измеренной в Darcy.

Связанные термины

Проницаемость: вещество или вид, ион, молекулы, проникающие через твердое вещество. Полупроницаемость: свойство материала быть проницаемым только для некоторых веществ, а не для других. Измерение проницаемости: метод количественного определения проницаемости материала для конкретного вещества.

Аббат Жан-Антуан Нолет (физик, 1700-1770 гг.)

Нолет пытался запечатать вино с помощью свиного мочевого пузыря и хранить его под водой. Через некоторое время мочевой пузырь выпукло наружу. Он заметил высокое давление, которое выделялось после того, как проколол мочевой пузырь. Любопытствуя, он сделал эксперимент наоборот: он наполнил емкость водой и сохранил ее в вине. В результате, мочевой пузырь выпуклость внутрь. Его заметки об этом эксперименте являются первым научным упоминанием проникновения (позже оно будет называться полупроницаемостью).

Томас Грэм (химик, 1805-1869)

Грэм экспериментально доказал зависимость диффузии газа от молекулярной массы, которая теперь известна как закон Грэм.

Ричард Баррер (1910-1996)

Баррер разработал современную технику измерения Баррера и впервые использовал научные методы для измерения проникновения.

Приложения

Упаковка: проницаемость упаковки (материалы, уплотнения, закрытия и т.д.) необходимо сопоставить с чувствительностью содержимого упаковки и установленным сроком хранения. Некоторые упаковки должны иметь почти герметичные уплотнения, в то время как другие могут (и иногда должны) быть избирательно проницаемыми. Поэтому знание о точном уровне проникновения является важным. Покрышки: давление воздуха в шинах должно снижаться как можно медленнее. Хорошая шина позволяет меньшему количеству газа выходить из нее. Проницаемость будет происходить со временем с шинами, поэтому лучше знать проницаемость материала, который будет составлять шину с желаемым газом, чтобы сделать самые эффективные шины. Изоляционный материал: проникновение водяного пара в изоляционный материал важно, а также для подводных кабелей для защиты проводника от коррозии. Топливные элементы: Автомобили оснащены топливными элементами с полимерной электролитной мембраной (PEM), которые преобразуют водородное топливо и кислород, содержащиеся в атмосфере, в электричество. Однако эти элементы производят только около 1,16 вольт электричества. Для того, чтобы обеспечить транспортное средство энергией, несколько ячеек расположены в стек. Выходная мощность стека зависит как от количества, так и от размера отдельных топливных элементов. Термопластичные и термоустойчивые трубопроводы: трубы, предназначенные для транспортировки воды под высоким давлением, могут считаться неисправными, если обнаруживается проникновение воды через стенку трубы на внешнюю поверхность трубы. Медицинское применение: Пермеация также может быть замечена в медицинской области при доставке лекарств. Лекарственные пластыри, сделанные из полимерного материала, содержат химический резервуар, который загружен до предела растворимости, а затем передается в организм при контакте. Для того, чтобы химическое вещество само высвободилось в организм, оно должно проникать и диффузировать через полимерную мембрану в соответствии с градиентом концентрации. Из-за избыточной растворимости резервуара транспортировка лекарственного средства осуществляется по механизму взрыва и отставания. При контакте пластыря с кожей происходит высокая скорость передачи лекарственного средства, но с течением времени устанавливается градиент концентрации, что означает, что доставка лекарственного средства происходит с постоянной скоростью. Это имеет решающее значение для доставки лекарств и используется в таких случаях, как система Ocusert. Но и обратный случай можно найти в медицинской сфере. Поскольку ампулы могут содержать высокочувствительные лекарственные средства для инъекций, крайне важно, чтобы используемый материал предотвращал попадание в фармацевтический продукт или испарение из него любых веществ. Для этого ампулы часто изготавливают из стекла, реже из синтетических материалов. Техническое применение: при производстве галогенных ламп галогенные газы должны быть очень плотно инкапсулированы. Алюминосиликатное стекло может быть идеальным барьером для газовой инкапсуляции. Таким образом, переход к электроду является критическим. Но благодаря совпадению теплового расширения стеклянного корпуса и металла, переход работает.