离子或粒子的浓度连续性方程是物质守恒定律 的数学表述,描述了浓度随时间变化与空间通量之间的关系。
浓度连续性方程一般形式为:
其中:
:物种
的**浓度,**即单位体积内的物质量,单位为 mol/m³ 或 kg/m³。
:物种
的**通量密度矢量,**单位为mol/(m²·s) 。
:物种
的**净产生率,**化学反应相关。
:哈密顿算子,一阶微分算子。
无化学反应源汇项
的构成包含三部分
其中:
**对流通量: ,**u为速度场。
**扩散通量:,
为扩散系数,**单位:m²/s,负号表示物质从高浓度向低浓度扩散。
迁移通量:
:为离子价态
:是电场强度矢量,单位为 V/m
:为元电荷
:玻尔兹曼常数
:绝对温度K
:电迁移率,与扩散系数通过爱因斯坦关系联系。
迁移通量是带电粒子在电场作用下产生的定向运动,带电离子在电场中受到静电力:
离子在粘性流体中运动时,还会受到斯托克斯阻力(低雷诺数条件下):
其中:摩擦系数(N·s/m);:离子相对于流体的速度(m/s)
离子达到终端速度时,静电力与阻力平衡:
电迁移率定义为单位电场强度下的漂移速度:
,还可写为:
受
的符号影响,正离子的
,沿电场方向移动,负离子的
,沿电场的负方向移动。
迁移通量定义:
单位时间内通过单位面积的物质量为浓度乘以漂移速度:
扩散系数的微观解释:
根据爱因斯坦的布朗运动理论,扩散系数与摩擦系数关系为:
涨落-耗散定理:扩散(涨落)与迁移(耗散)通过温度关联。
推导爱因斯坦关系:
和
消去
最后可以推导出迁移通量的公式:
完整的能斯特-普朗克方程
带入连续性方程(无化学反应)