Массоперенос в гидрогеохимических системах, страница 2

Перенос вещества подземных вод осуществляется следующими двумя путями: диффузией, конвекцией.

? Диффузия – это перераспределение вещества в какой-либо среде, вызванное тепловым движением молекул. В подземной гидросфере диффузия приводит к выравниванию концентрации растворенного вещества. В зависимости от движущей силы различают бародиффузию, термодиффузию и концентрационную диффузию.

При любом из названных видов диффузии перенос вещества происходит молекулярными потоками. Чисто диффузионные процессы свойственны покоящимся средам. В природе диффузия имеет место там, где нет движения воды, т.е. в слабопроницаемых породах.

Сущность бародиффузии заключается в разделении вещества растворов по молекулярному весу, в результате чего происходит перемещение более тяжелых молекул сверху вниз под влиянием геогравитационного поля. Так, М(SO₄^2-, PO₄^3-) > M(F^-, Cl^-). При термодиффузии движущей силой служит градиент температуры: частицы диффундируют в область менее высоких температур.

В бассейнах подземных вод градиенты геогравитационного и геотермического полей незначительны, поэтому баро- и термодиффузия не оказывают заметного влияния на перенос вещества подземных вод. Тем более, что оба процесса направлены противоположно друг другу.

Гораздо шире пределы изменения градиентов концентрации. Поэтому концентрационная диффузия считается одним из основных механизмов молекулярно-диффузионного переноса в подземной гидросфере. Перемещение вещества в растворе направлено в сторону понижения концентрации и приводит к однородному распределению вещества в системе.

Надо отметить, что в подземных водах наряду с растворенным веществом могут диффундировать и молекулы самой воды. Такой вид диффузии называется самодиффузией. Процесс самодиффузии происходит в отсутствие градиентов концентрации. Это результат теплового движения молекул воды.

Структурно-однородная модель воды О.Я. Самойлова позволяет наглядно представить процессы, связанные с тепловым перемещением частиц воды. Известно, что тепловое движение частиц жидкости состоит в основном из колебаний, вращательных движений около каких-то временных положений равновесия и скачкообразных перемещений из одного положения в другое. Скачкообразные движения называют трансляционными, по своей сущности они соответствуют  явлению самодиффузии частиц жидкости. Движения эти имеют характер активированных скачков, поскольку положения равновесия частиц жидкости окружены сравнительно большими потенциальными барьерами, для преодоления которых молекула должна обладать достаточной энергией – энергией самодиффузии. В воде самодиффузия происходит главным образом по пустотам ее структуры.

Математически молекулярная диффузия описывается ? первым законом Фика:

диффузионный поток  (масса переместившегося вещества)     прямо пропорционален градиенту концентрации    , площади поперечного сечения потока      и времени     . А удельный диффузионный поток (поток через единицу поверхности в единицу времени) равен:

    -- коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом диффузии, физически определяется количеством вещества, продиффундировавшего через 1 см² поверхности за 1 с при единичном градиенте концентрации. Он характеризует диффузию отдельных веществ в породах. Например, коэффициент диффузии хлористого натрия (н.у.) в свободной воде равен 1,1х10^-5 см²/с, в поровой воде среднезернистого песка 7х10^-6 см²/с, а в поровой воде плотной глины 1,62х10^-6 см²/с.

? Конвекция – это массоперенос в движущемся потоке. Если диффузия происходит в покоящихся средах, то необходимым условием конвекции является подвижность самой среды. Различается естественная и вынужденная конвекция.