• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Team löser gammalt mysterium, banar väg för framsteg inom medicin, industri, miljövetenskap

    Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain

    En professor i miljöteknik vid Oregon State University har löst ett årtionden gammalt mysterium angående vätskors beteende, ett studieområde med utbredd medicinsk, industriella och miljömässiga tillämpningar.

    Forskningen av Brian D. Wood, publiceras i Journal of Fluid Mechanics , rensar en vägspärr som har förbryllat forskare i nästan 70 år och banar väg för en tydligare bild av hur kemikalier blandas i vätskor.

    Ett mer fullständigt grepp om den grundläggande principen ger en grund för framsteg inom en rad områden – från hur föroreningar sprids i atmosfären till hur droger genomsyrar vävnader i människokroppen.

    Finansieras av National Science Foundation, Woods arbete med dispersionsteori bygger på forskning av en av de mest framgångsrika forskarna i Oregon State historia, Octave Levenspiel. En 1952 kemiingenjör Ph.D. examen och senare en mångårig fakultetsmedlem, Levenspiel publicerade 1957 ett viktigt dokument om spridning i kemiska reaktorer på väg att bli högskolans första inträde till National Academy of Engineering.

    Ännu viktigare, Woods forskning överbryggar en långvarig klyfta i en av vätskemekanikens grundläggande principer:Taylors dispersionsteori. Uppkallad efter den brittiske fysikern och matematikern G.I. Taylor, författare till en framstående tidning från 1953, teorin handlar om fenomen där fluktuationer i en vätskas hastighetsfält gör att kemikalier sprids i den.

    "Processen med dispersiv spridning tenderar att öka med tiden tills den når en jämn nivå, " sa Wood. "Du kan tänka på det som analogt med investeringar i en startup, där avkastningen initialt kan vara mycket stor innan den sätter sig in på en mer hållbar nivå som är nära konstant."

    Taylors teori var den första som gjorde det möjligt för forskare att förutsäga den jämna nivån av spridning med hjälp av vad som är känt som den makroskopiska spridningsekvationen. Ekvationen kan beskriva nettorörelsen av en kemisk art i en vätska - förutsatt att tillräckligt med tid har förflutit från det att kemikalien kom in i vätskan.

    "Det var en betydande uppenbarelse vid den tiden, " sade Wood. "Det var i nivå med vad forskare gjorde teoretiskt inom andra discipliner, som kvantmekanik."

    Medan Taylors teori var framgångsrik och revolutionerande, forskare kämpade fortfarande med problemet med hur dispersiv spridning utvecklas från dess dynamik, tidigt beteende - vad som kallas dess initiala tillstånd - till när det uppnår det mer konstanta värdet som förutspåtts av Taylor.

    Forskare fann viss framgång genom att lägga till en tidsberoende spridningskoefficient till ekvationen, men koefficienten skapade sina egna problem, den primära är paradoxer.

    "Till exempel, om kemiska lösta ämnen som injiceras i en vätska vid två olika tidpunkter överlappar varandra, vilken tid tilldelar du spridningskoefficienten?" sa Wood. "Taylor själv förstod att, där en tidsberoende spridningskoefficient antogs, samtida teorier bröt mot grundläggande föreställningar om kausalitet i fysiken."

    Wood och medarbetare använde en annan kanon, teorin om partiella differentialekvationer, för att visa att problem med den tidsberoende dispersionskoefficienten uppstod genom att försumma avslappningen av det lösta ämnet - kemikalien som injicerades i vätskan, eller lösning – från dess initiala tillstånd.

    "När kemiska ämnen först injiceras, deras beteende är inte nödvändigtvis förenligt med en ekvation av dispersionstyp, Wood förklarade. det initiala tillståndet måste först "slappna av". Under denna tid, det finns en ytterligare term att redogöra för som saknades i Taylors makroskala dispersionsekvation."

    I en ekvation, en term hänvisar till ett enda tal eller en variabel, eller tal och variabler multiplicerade med varandra.

    Termen Wood added korrigerar dispersionsekvationen för att ta hänsyn till den initiala konfigurationen av de kemiska arterna som rör sig i vätskan. Något överraskande, Wood sa, teorin löser också paradoxer i andra teorier med tidsberoende spridningskoefficienter.

    "I den nya teorin, det är aldrig en fråga om vilken dispersionskoefficient som ska användas när kemiska lösta ämnen överlappar varandra, ", sa han. "Anpassningen av spridningsprocessen förklaras automatiskt av närvaron av den extra termen."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com