Sedymentacja w ciałach stałych i cieczach

Sedymentacja jest procesem, w którym transport cząstek w ciałach stałych, cieczach i gazach indukowany jest polem grawitacyjnym (siłą odśrodkową). Procesy sedymentacji znajdują zastosowania w technice dla rozdziału izotopów (w gazach) i wytwarzania materiałów gradientowych. Obecnie stosowane metody opisu sedymentacji w ciałach stałych bazują na termodynamice procesów nieodwracalnych (relacje Onagera). Słabością takiego opisu jest nieznajomość współczynników transportowych, które mogą być jedynie wyznaczone eksperymentalnie. W artykule zaprezentowano nowy model procesu sedymentacji w ciałach stałych i cieczach. Zastosowano metodę dwuprędkości (bi-velocity), opisującą proces wieloskładnikowej dyfuzji wzajemnej w polu sił zewnętrznych (grawitacji). Uwzględniono prawa zachowania masy, ciągłości objętości oraz równanie ruchu. Strumienie dyfuzyjne określa wyrażenie Nernsta-Plancka na strumień [1, 2]. W równaniach i wyrażeniach na strumień uwzględniano różne cząstkowe objętości molowe składników. Opracowany model umożliwia prognozowanie zmiany stężeń, prędkości dryftu oraz ciśnienia podczas procesu sedymentacji w jednofazowych układach wieloskładnikowych. Model matematyczny procesu dyfuzji wzajemnej pod wpływem sił grawitacji ma rozwiązanie numeryczne uzyskane metodą różniczkowo-różnicową. Rozwiązanie to zastosowano do modelowania i porównania z wynikami doświadczalnymi sedymentacji w układzie Bi-Sn tworzącym stopy substytucyjne oraz w arbitralnie dobranym układzie trójskładnikowym. Uzyskane wyniki potwierdzają, że przyjęty model i jego rozwiązanie numeryczne umożliwiają symulację procesów dyfuzji wzajemnej w polu grawitacyjnym (sedymentacji w roztworach wieloskładnikowych). Jest efektywnym narzędziem umożliwiającym uwzględnienie znanych właściwości termodynamicznych, mechanicznych oraz transportowych układu.

---

The sedimentation process is wildly known as the transport of macroscopic solutes induced by gravitational or centrifugal field in a gas, liquid and solid solvent. Nowadays, the sedimentation is being applied in technique in order to separate isotopes (in gas mixtures) and produce gradient materials. In this work we present the existing models of sedimentation and propose the new method. The complete theoretical framework to derive consistent set of equations describing sedimentation in multi component system is shown, i.e. the interdiffusion induced by the gravity (centrifugal) field. The model combines the mass conservation law, the equation of motion and the volume continuity equation with the Nernst-Planck flux formulae. The method known as bi-velocity or Darken model is based on the postulate of the unique transport mechanism of the volume and of the mass. Using the model, it is possible to predict the evolution of concentration, drift velocity and pressure generated during the sedimentation in solids. The described mathematical model has a numerical solution. The concentration profile in equilibrium state is found by solving the nonlinear set of equations. An applications of this theory to Bi-Sb system (Fig. 1) is an evidence of sedimentation of substitutional atoms in condensed matter via interdiffusion mechanisms. Comparison of the simulation results with experimental data shows good agreement. An applications of this theory in a case of arbitrary ternary alloy (presented in Fig. 2) is an evidence of its correctness for modelling diffusion processes induced by the gravity (centrifugal) field in multicomponent system. Presented examples show the potential of the method, especially volume continuity equation in describing the transport processes, i.e. sedimentation process by the evolutionary method. The unique aspects of the method are: 1) the diffusion fluxes are defined in the lattice fixed (material) frame of reference, and 2) the different partial molar volumes of components are considered.