Глава 17. ЗАДАЧИ КОНВЕКТИВНОЙ ДИФФУЗИИ
102. Упрощенное описание конвективной диффузии
Если реагирующие на электроде ионные компоненты присутствуют в малой концентрации в растворе с избытком фонового электролита, то вкладом миграции в поток реагирующих компонентов обычно можно пренебречь (разд. 73), так что уравнение (100-1) приобретает вид
Подстановка этого равенства в уравнение (100-2) дает
Это соотношение можно назвать уравнением конвективной диффузии. Аналогичное уравнение имеет место в случае конвективного переноса тепла и конвективного массопереноса в растворах неэлектролитов. Поскольку эти области науки подробно изучены, многие известные результаты можно применить к электрохимическим системам, описываемым уравнением (102-2). В то же время электрохимические системы иногда дают наиболее удобную возможность проверки этих результатов или получения новых результатов в случае слишком сложных для анализа систем.
Для понимания задач конвективного переноса существенным является представление о диффузионном слое. Часто вследствие небольшого значения коэффициента диффузии концентрации значительно отличаются от их объемных значений лишь в тонкой области вблизи поверхности электрода. В этой области скорость мала, и в процессах переноса основную роль играет диффузия. Малая толщина этой области позволяет упростить задачу, однако было бы ошибочным рассматривать диффузионный слой как неперемешиваемую область. На рис. 102-1 показан концентрационный профиль в диффузионном слое, причем электрод расположен слева. Вдали от поверхности преобладает конвективный перенос, тогда как на самой поверхности происходит лишь диффузия.
Системы, которые обычно изучаются с точки зрения тепло- или массопереноса, включают, как правило, ламинарное или
турбулентное течение в различных геометрических условиях. Течение может возникать как за счет более или менее закономерного перемешивания (вынужденная конвекция), так и за счет разности плотностей в растворе, создаваемой переносом массы (естественная конвекция). Мы обсудим, хотя и не исчерпывающе, несколько примеров, поскольку конвективный тепло- и массоперенос достаточно тщательно разработан во многих книгах и монографиях [1-4].
Рис. 102-1. Концентрационный профиль в диффузионном слое.
Имеется также несколько обзоров по массопереносу в электрохимических системах [5-7]. Мы выбрали в основном те примеры, в которых изучались электрохимические системы. Кроме того, мы включили некоторые общие теоретические результаты, так как они непосредственно применимы к растворам электролитов, где числа Шмидта неизменно велики.
