Stefan flow - Stefan flow
El flujo de Stefan , ocasionalmente llamado flujo de Stefan , es un fenómeno de transporte relacionado con el movimiento de una especie química por un fluido que fluye (típicamente en la fase gaseosa ) que es inducido a fluir por la producción o eliminación de la especie en una interfaz . Cualquier proceso que agregue la especie de interés o la elimine del fluido que fluye puede causar el flujo Stefan, pero los procesos más comunes incluyen evaporación , condensación , reacción química , sublimación , ablación , adsorción , absorción y desorción . Lleva el nombre del físico, matemático y poeta austríaco Josef Stefan por sus primeros trabajos sobre el cálculo de las tasas de evaporación.
El flujo de Stefan es distinto de la difusión como lo describe la ley de Fick , pero la difusión casi siempre ocurre también en sistemas de múltiples especies que están experimentando el flujo de Stefan. En los sistemas que se someten a uno de los procesos de adición o eliminación de especies mencionados anteriormente, la adición o eliminación genera un flujo medio en el fluido que fluye a medida que el fluido próximo a la interfaz es desplazado por la producción o eliminación de fluido adicional por los procesos que ocurren en la interfaz. . El transporte de la especie por este flujo medio es el flujo de Stefan. Cuando también están presentes gradientes de concentración de la especie, la difusión transporta la especie en relación con el flujo medio. La tasa de transporte total de la especie viene dada por la suma del flujo de Stefan y las contribuciones de difusión.
Un ejemplo del flujo de Stefan ocurre cuando una gota de líquido se evapora en el aire. En este caso, la mezcla de vapor / aire que rodea a la gota es el fluido que fluye, y el límite líquido / vapor de la gota es la interfaz. A medida que la gota del ambiente absorbe calor , parte del líquido se evapora en vapor en la superficie de la gota y fluye lejos de la gota a medida que es desplazado por vapor adicional que se evapora de la gota. Este proceso hace que el medio que fluye se aleje de la gota a una velocidad media que depende de la velocidad de evaporación y de otros factores como el tamaño y la composición de la gota. Además de este flujo medio, debe existir un gradiente de concentración en la vecindad de la gota (asumiendo una gota aislada) ya que el medio que fluye es principalmente aire lejos de la gota y principalmente vapor cerca de la gota. Este gradiente provoca una difusión de Fickian que transporta el vapor lejos de la gota y el aire hacia ella, con respecto al flujo medio. Por lo tanto, en el marco de la gota, el flujo de vapor que sale de la gota es más rápido que para el flujo de Stefan puro, ya que la difusión trabaja en la misma dirección que el flujo medio. Sin embargo, el flujo de aire que sale de la gota es más lento que el flujo de Stefan puro, ya que la difusión está trabajando para transportar el aire de regreso hacia la gota contra el flujo de Stefan. Dicho flujo de gotas que se evaporan es importante para comprender la combustión de combustibles líquidos como el diesel en los motores de combustión interna y en el diseño de dichos motores. El flujo de Stefan de las gotas que se evaporan y las partículas de hielo sublimadas también juega un papel destacado en la meteorología, ya que influye en la formación y dispersión de las nubes y la precipitación.
Referencias
- CT Bowman, Notas del curso sobre combustión , 2004, material de referencia del curso de la Universidad de Stanford para ME 371: Fundamentos de la combustión.
- CT Bowman, Notas del curso sobre combustión , 2005, material de referencia del curso de la Universidad de Stanford para ME 372: Aplicaciones de combustión.