Диффузия (2 вида) против адвекции (1 вид)

Почему мы наблюдаем диффузию с двумя видами и адвекцию с одним видом, если оба случая связаны с распространением молекул для увеличения энтропии?

Возьмем физический пример: допустим, у меня есть коробка с двумя сторонами одинакового размера. Рассмотрим два сценария:

1) Левая сторона заполнена газом А, правая сторона содержит газ А и В (обе стороны находятся под одинаковым давлением). Газ B диффундирует влево против градиента концентрации, пока в конце концов молекулы обоих газов не распределятся равномерно.

2) Обе стороны заполнены А, но плотность А выше на правой стороне (т.е. молекул А на правой стороне больше). Более высокая плотность означает (для идеального газа), что с правой стороны давление выше. Таким образом, градиент давления вызывает адвекцию А к левой стороне, пока, в конце концов, молекулы А не распределятся равномерно.

Почему мы наблюдаем диффузию с двумя видами, а адвекцию с одним? Разве это не просто вопрос распределения молекул, чтобы максимизировать количество статистических микросостояний в системе (для увеличения энтропии)? Чем физически отличается распространение двух типов молекул, которое проявляется как диффузия, тогда как распространение одного типа молекулы проявляется как адвекция?

Другими словами, если я прав в том, что оба движения молекул являются результатом желания увеличить энтропию, почему они кажутся такими разными?

Может ли быть так, что в случае одного вида действительно существует диффузия, но коэффициент диффузии настолько мал, что мы не включаем диффузионный член в массовый баланс континуума, поскольку им можно пренебречь?

Адвекция - это чистое перемещение видов по полю потока, а диффузия - это чистое перемещение видов по разнице концентраций. На мой взгляд, это не имеет ничего общего с количеством видов.
@nluigi В моем примере поле потока было создано дисбалансом количества частиц. Дисбаланс частиц создает градиент плотности, который для идеального газа является градиентом давления. Итак, в обоих моих примерах кажется, что движение возникает из-за дисбаланса количества частиц. Но в одном случае она производит диффузию, а в другом — адвекцию.

Ответы (1)

Таким образом, этот вопрос отличается от вопроса «Почему энтропия не увеличивается, когда два одинаковых газа смешиваются друг с другом?» но мой ответ есть тот же ответ здесь.

Для однокомпонентной смеси, находящейся в равновесии, невозможно идентифицировать молекулы как уникальные. Итак, если у вас есть коробка с разделителем внутри, вы не можете отличить левую молекулу от правой молекулы, поэтому вы никак не можете «отследить» их диффузию. Если бы вы каким-то образом сделали их идентичными, за исключением того, что пометили их тегами, то вы могли бы найти диффузию между левой и правой сторонами, но тогда они уже не идентичны.

Ваша интуиция верна в том, что коробка с одним компонентом будет иметь «рассеивание» молекул с одной стороны на другую. Просто состояние, когда это происходит, совершенно неотличимо от исходного состояния. Таким образом, с макроскопической точки зрения диффузии не было.

Отметим также, что адвекция и диффузия не исключают друг друга. Если бы у вас было два газа в ящике с перегородкой, а давление было выше с одной стороны, вы бы получили поток, управляемый градиентом давления в дополнение к диффузии газов через первоначальную границу раздела.

Спасибо. Но можете ли вы подробнее объяснить, почему в однокомпонентном случае нет макроскопической диффузии? Даже если все молекулы идентичны, нет ли диффузионной тенденции к распространению в пространстве? Распределенное (равномерно распределенное) состояние отличается от нераспределенного состояния, даже если все частицы одинаковы.
@fluidsquestioner В этом примере мы говорим о конечном ящике, который закрыт и находится в равновесии. Итак, поскольку мы начали с предположения об идеальном газе, пространство уже полностью заполнено газом. Молекула слева будет случайным образом перемещаться через столкновения до конца вправо — она же диффузная — но это состояние статистически полностью идентично исходному состоянию, поэтому мы не можем сказать, что диффузия имела место. Если вы смотрите на газ, заполняющий вакуум, это нельзя назвать диффузией даже при наличии нескольких видов.
Другой способ взглянуть на это — трансляция (адвекция) сглаживает различия в кинетической неравновесности. Вязкость сглаживает различия в поступательной неравновесности. Диффузия сглаживает различия в неравновесности состава, а в случае одного вида композиционная неравновесность отсутствует.
В примере изначально с одной стороны ящика находится больше частиц, чем с другой. Таким образом, он не находится в равновесии изначально. А затем частицы растекаются так, чтобы они были распределены равномерно. И я спрашиваю о процессе их распространения, который для одного вида является адвективным, за счет градиента давления. И я спрашиваю, почему он тоже не диффузный?
@fluidsquestioner Для 2 видов это также адвективно. Для 1000 видов он адвективный. Градиенты давления вызывают движение, градиенты видов вызывают движение. Это не эксклюзивные события. Но мы не «видим» диффузию в одном виде на макроскопическом уровне, потому что не можем отличить одну молекулу от другой.
Прошу прощения за тупость: если у меня есть 3 частицы с одной стороны и 1 частица с другой, существует тенденция (в среднем) для одной частицы двигаться на другую сторону, так что у меня есть равномерное распределение 2 и 2. Почему эта тенденция не является диффузной? (Спасибо за вашу помощь)
@fluidsquestioner Потому что это адвективно. Одна частица со стороны с 3 не движется за счет случайных столкновений через газ. Он движется, потому что есть место для его заполнения. Это верно независимо от того, идентичны ли все молекулы или все они уникальны. Заполнение пространства (адвекция) отличается от перемещения/обмена местами с другими молекулами (диффузия). И то, и другое может произойти одновременно. Но мы не можем отличить одновидовую самодиффузию, потому что статистически система идентична.