簡介
質擴散和熱傳導耦合引起的熱質擴散,常稱之為索瑞效應和杜伏效應。在熱質擴散中,由於溫度梯度引起混合物中出現附加的濃度梯度而造成傳質,是於1893年由索瑞(C. Soret)在液體中發現的。杜伏效應則是指由於各種物質互相擴散引起溫度梯度,或者說,由於有濃度梯度引起溫度梯度,這是杜伏(L. Dufour)於1872年在氣體中發現的。杜伏效應是索瑞效應的逆效應。
濃度梯度的形成
在溫度梯度中,原子有可能而且確實發生運動,因為在元素A的原子上有一驅動力f,例如Denbigh(1951)給出此力的大小為:
式中Q*為遷移熱,是一個大小或符號都難以估計的量,但在物理意義上是造成擴散躍遷的原子的過剩能量。對於一種氣體或液體夾雜,Q為每個原子蒸發或熔化的潛熱,但似乎沒有確定Q*的通用法則適用於原子遷移(Ho,1966I Nichols,1972)。
對於通過空位機制進行擴散的金屬的Q*值,有一個簡單模型指出:
其中E為空位移動的能量,β為稍低於1的因數,E為空位的形成能。這個模型是以下述看法為根據的:原子的移動將沿溫度梯度向下傳輸其一部分運動所需激活能(其餘部分被周圍原子傳輸),但運動要求沿空位的溫度梯度向上遷移,這將傳輸其形成能。Ho指出,看來這種模型對於電子結構簡單的金屬(金,銀,鋼,鋁)是相當適用的。這一結論得到Swalin和Yin(1967)的支持,但對某些過渡族金屬,如鑽、鐵,鈦和鑽,發現的很大的熱遷移值與簡單的理論不一致。
熱致擴散及其研究方法
當一個溫度場外加給一種材料(或一個系統)時,在這種材料或系統內,就會發生熱擴散,這就是Soret效應。Walker(1982)介紹了一種方法,研究Soret效應。他把洋中脊玄武岩研磨成粉末,在直徑為2.4mm的Mo棒上,鑽出φ1.6mm x8mm的圓柱形空穴,把樣品裝入其中,在活塞圓筒裝置中進行實驗。Mo棒圓柱形空穴的熱端溫度保持在1480±75℃,冷端保持在1215±75℃,壓力為l0kbar,在乾的條件下,加熱137小時,熱端放在垂直位置的下面,冷端放在上面,這樣可以防止重力作用對Soret效應的影響。實驗原樣經電子探針分析,熱端液體相當於安山岩質,冷端液體為Fe苦橄質(Ferro picfitic)。各種氧化物的擴散效府如下圖所示。
從該圖可以看出,外界的溫度梯度使天然岩漿中的Fe、Mg、Ca、Ti等組分向冷端擴散,而Si、Al、Na、K等組分向熱端擴散,這就是有名的Soret效應在岩漿作用中的體現。
因而,在低溫端形成“鏈”和“環”為主的聚合體,在熱端形成具架狀結構的“三維網路”聚合體,顯然,熱端的“三維網路”聚合體的質量要低於冷端“鏈”和“環”等聚合體的質量。Soret效應就這樣使岩漿中不同元素,因為所結合的結構單元存在“質量差”而分離。在這裡,Soret效應與流體不混熔(液體熔離作用)作用分選結構單位的情形相似,但分選機制不同。在熔離作用中分選機制是由熔體結構上的不協調(不匹配)所致。