Difusión (2 especies) versus advección (1 especie)

¿Por qué vemos difusión con 2 especies pero advección con una sola especie si ambos casos involucran moléculas que se propagan para aumentar la entropía?

Para tomar un ejemplo físico: digamos que tengo una caja con dos lados del mismo tamaño. Consideremos dos escenarios:

1) El lado izquierdo está lleno de gas A, el lado derecho tiene gas A y B (ambos lados están a la misma presión). El gas B se difunde hacia el lado izquierdo, en contra de su gradiente de concentración, hasta que finalmente las moléculas de ambos gases se distribuyen uniformemente.

2) Ambos lados están llenos de A, pero la densidad de A es mayor en el lado derecho (es decir, hay más moléculas de A en el lado derecho). La densidad más alta significa (para un gas ideal) que hay una presión más alta en el lado derecho. Entonces, el gradiente de presión impulsa la advección de A hacia el lado izquierdo, hasta que finalmente las moléculas de A se distribuyen uniformemente.

¿Por qué vemos difusión con 2 especies pero advección con 1? ¿No es todo cuestión de esparcir moléculas para maximizar el número de microestados estadísticos en el sistema (para aumentar la entropía)? ¿Qué es físicamente diferente acerca de la dispersión de 2 tipos de moléculas que se manifiestan como difusión mientras que la dispersión de un solo tipo de molécula se manifiesta como advección?

En otras palabras, si tengo razón en que ambos movimientos de las moléculas son el resultado de un deseo de aumentar la entropía, ¿por qué parecen tan diferentes?

¿Podría ser que efectivamente haya difusión en el caso de una sola especie, pero el coeficiente de difusión es tan pequeño que no incluimos un término de difusión en un balance de masa continuo ya que es insignificante?

La advección es el movimiento neto de especies por un campo de flujo, mientras que la difusión es un movimiento neto de especies por una diferencia de concentración. En mi opinión, no tiene nada que ver con el número de especies.
@nluigi En mi ejemplo, el campo de flujo fue creado por un desequilibrio en la cantidad de partículas. Un desequilibrio en las partículas crea un gradiente de densidad que para un gas ideal es un gradiente de presión. Entonces, en mis dos ejemplos, el movimiento parece originarse en un desequilibrio en el número de partículas. Pero en un caso produce difusión y en el otro advección.

Respuestas (1)

Entonces, esta pregunta es diferente de ¿ Por qué no aumenta la entropía cuando dos gases similares se mezclan? pero mi respuesta allí es la misma respuesta aquí.

Para una mezcla de un solo componente en equilibrio, no hay forma de identificar las moléculas como únicas. Entonces, si tiene una caja con un divisor, no puede distinguir una molécula izquierda de una molécula derecha, por lo que no puede "rastrear" su difusión de ninguna manera. Si de alguna manera los hizo idénticos excepto por etiquetarlos, entonces podría encontrar difusión entre los lados izquierdo y derecho, pero entonces ya no son idénticos.

Su intuición es correcta en que una caja con un solo componente tendrá "difusión" de moléculas de un lado a otro. Es solo que el estado cuando eso sucede es completamente indistinguible del estado original. Y así desde un sentido macroscópico, no hubo difusión.

Tenga en cuenta también que la advección y la difusión no son mutuamente excluyentes. Si tuviera dos gases en una caja con un divisor y la presión fuera más alta en un lado, obtendría un flujo impulsado por el gradiente de presión además de la difusión de los gases a través de la interfaz original.

Gracias. Pero, ¿puede explicar más por qué no hay difusión macroscópica en el caso de un solo componente? Incluso si todas las moléculas son idénticas, ¿no hay una tendencia difusiva a dispersarse en el espacio? El estado esparcido (distribuido uniformemente) es diferente del estado no esparcido, incluso si las partículas son todas iguales.
@fluidsquestioner Estamos hablando de una caja finita que está cerrada y en equilibrio en el ejemplo. Entonces, dado que comenzamos con una suposición de gas ideal, el espacio ya está completamente lleno por el gas. Una molécula de la izquierda caminará aleatoriamente a través de colisiones hasta la derecha eventualmente, también conocida como difusa, pero ese estado es completamente idéntico estadísticamente al estado original, por lo que no diríamos que se produjo ninguna difusión. Si está viendo un gas que llena un vacío, eso no se llamaría difusión incluso con múltiples especies.
La otra forma de verlo: la traducción (advección) iguala las diferencias en el desequilibrio cinético. La viscosidad iguala las diferencias en el no equilibrio traslacional. La difusión nivela las diferencias en el desequilibrio de composición, y para el caso de una sola especie no hay desequilibrio de composición.
En el ejemplo, inicialmente hay más partículas en un lado de la caja que en el otro. Entonces no está en equilibrio inicialmente. Y luego las partículas se esparcen para que se distribuyan uniformemente. Y estoy preguntando sobre el proceso por el cual se propagan, que para una sola especie es advectivo, por un gradiente de presión. Y pregunto, ¿por qué no es difusiva también?
@fluidsquestioner Para 2 especies también es advectivo. Para 1000 especies es advectivo. Los gradientes de presión provocan movimiento, los gradientes de especies provocan movimiento. No son eventos exclusivos. Pero no "vemos" la difusión en una sola especie a nivel macroscópico porque no podemos distinguir una molécula de otra molécula.
Lamento ser obtuso: si tengo 3 partículas en un lado y 1 partícula en el otro, hay una tendencia (en promedio) de que una partícula se mueva hacia el otro lado, de modo que tengo una distribución uniforme de 2 y 2. ¿Por qué esta tendencia no es difusiva? (Gracias por tu ayuda)
@fluidsquestioner Porque es advectivo. La única partícula del lado con 3 no se mueve por las colisiones aleatorias a través del gas. Se mueve porque hay un espacio para llenar. Esto es cierto tanto si todas las moléculas son idénticas como si todas son únicas. Llenar el espacio (advección) es diferente de desplazar/intercambiar lugares con otras moléculas (difusión). Ambos pueden ocurrir al mismo tiempo. Pero no podemos diferenciar la autodifusión de una sola especie porque estadísticamente el sistema es idéntico.
Difusión (2 especies) versus advección (1 especie)
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v