Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
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.
Penetration of a liquid, gas, or vapor through a solid
In physics and engineering, permeation (also called imbuing) is the penetration of a permeate (a fluid such as a liquid, gas, or vapor) through a solid. It is directly related to the concentration gradient of the permeate, a material's intrinsic permeability, and the materials' mass diffusivity. Permeation is modeled by equations such as Fick's laws of diffusion, and can be measured using tools such as a minipermeameter.
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.
The process of permeation involves the diffusion of molecules, called the permeant, through a membrane or interface. Permeation works through diffusion; the permeant will move from high concentration to low concentration across the interface. A material can be semipermeable, with the presence of a semipermeable membrane. Only molecules or ions with certain properties will be able to diffuse across such a membrane. This is a very important mechanism in biology where fluids inside a blood vessel need to be regulated and controlled. Permeation can occur through most materials including metals, ceramics and polymers. However, the permeability of metals is much lower than that of ceramics and polymers due to their crystal structure and porosity. Permeation is something that must be considered carefully in many polymer applications, due to their high permeability. Permeability depends on the temperature of the interaction as well as the characteristics of both the polymer and the permeant component. Through the process of sorption, molecules of the permeant can be either absorbed or desorbed at the interface. The permeation of a material can be measured through numerous methods that quantify the permeability of a substance through a specific material. Permeability due to diffusion is measured in SI units of mol/(m・s・Pa) although Barrers are also commonly used. Permeability due to diffusion is not to be confused with Permeability (earth sciences) due to fluid flow in porous solids measured in 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.
Permeant: The substance or species, ion, molecules permeating through the solid. Semipermeability: Property of a material to be permeable only for some substances and not for others. Permeation measurement: Method for the quantification of the permeability of a material for a specific substance.
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).
Nollet tried to seal wine containers with a pig's bladder and stored them under water. After a while the bladder bulged outwards. He noticed the high pressure that discharged after he pierced the bladder. Curious, he did the experiment the other way round: he filled the container with water and stored it in wine. The result was a bulging inwards of the bladder. His notes about this experiment are the first scientific mention of permeation (later it would be called semipermeability).
Томас Грэм (химик, 1805-1869)
Грэм экспериментально доказал зависимость диффузии газа от молекулярной массы, которая теперь известна как закон Грэм.
Graham experimentally proved the dependency of gas diffusion on molecular weight, which is now known as Graham's law.
Ричард Баррер (1910-1996)
Баррер разработал современную технику измерения Баррера и впервые использовал научные методы для измерения проникновения.
Barrer developed the modern Barrer measurement technique, and first used scientific methods for measuring permeation rates.
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.
Packaging: The permeability of the package (materials, seals, closures, etc.) needs to be matched with the sensitivity of the package contents and the specified shelf life. Some packages must have nearly hermetic seals while others can (and sometimes must) be selectively permeable. Knowledge about the exact permeation rates is therefore essential. Tires: Air pressure in tires should decrease as slowly as possible. A good tire is one that allows the least amount of gas to escape. Permeation will occur over time with the tires, so it is best to know the permeability of the material that will make up the tire with the desired gas to make the most efficient tires. Insulating material: Water vapour permeation of insulating material is important as well as for submarine cables to protect the conductor from corrosion. Fuel cells: Automobiles are equipped with Polymer Electrolyte Membrane (PEM) fuel cells to convert hydrogen fuel and oxygen found in the atmosphere to produce electricity. However, these cells only produce around 1.16 volts of electricity. In order to power a vehicle, multiple cells are arranged into a stack. A stack's power output depends on both the number and the size of the individual fuel cells. Thermoplastic and Thermosetting Piping: Pipes intended to transport water under high pressure can be considered as failed when there is a detectable permeation of water through the pipe wall to the outer surface of the pipe. Medical Uses: Permeation can also be seen in the medical field in drug delivery. Drug patches made up of polymer material contain a chemical reservoir that is loaded beyond its solubility, and then transferred to the body through contact. In order for the chemical to release itself into the body, it must permeate and diffuse through the polymer membrane, according to the concentration gradient. Due to the over solubility of the reservoir, transport of the drug follows the burst and lag mechanism. There is a high transfer rate of the drug when the patch makes contact with the skin, but as time increases a concentration gradient is established, meaning delivery of the drug settles to a constant rate. This is crucial in drug delivery and is used in cases such as the Ocusert System. But also the opposite case can be found in the medical field. As ampoules may contain highly sensitive pharmaceuticals for injection it is crucial that the used material prevents any kinds of substances to enter the pharmaceutical product or evaporate from it. For this, ampoules are often made from glass and less frequently from synthetic materials. Technical uses: At the production of Halogen Lamps, halogen gases have to be encapsulated very closely. Aluminosilicate glass can be the perfect barrier for the gas encapsulation. Hereby, the transition to the electrode is critical. But due to matching thermal expansions of the glass body and the metal, the transition is working.