熱致擴(kuò)散熱致擴(kuò)散及其研究方法

當(dāng)一個(gè)溫度場(chǎng)外加給一種材料（或一個(gè)系統(tǒng)）時(shí)，在這種材料或系統(tǒng)內(nèi)，就會(huì)發(fā)生熱擴(kuò)散，這就是Soret效應(yīng)。Walker（1982）介紹了一種方法，研究Soret效應(yīng)。他把洋中脊玄武巖研磨成粉末，在直徑為2．4mm的Mo棒上，鉆出φ1．6mm x8mm的圓柱形空穴，把樣品裝入其中，在活塞圓筒裝置中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。Mo棒圓柱形空穴的熱端溫度保持在1480±75℃，冷端保持在1215±75℃，壓力為l0kbar，在干的條件下，加熱137小時(shí)，熱端放在垂直位置的下面，冷端放在上面，這樣可以防止重力作用對(duì)Soret效應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)原樣經(jīng)電子探針?lè)治觯瑹岫艘后w相當(dāng)于安山巖質(zhì)，冷端液體為Fe苦橄質(zhì)（Ferro picfitic）。各種氧化物的擴(kuò)散效府如圖1：玄武巖樣品氧化物重量百分比隨溫度梯度變化圖所示。

從圖1：玄武巖樣品氧化物重量百分比隨溫度梯度變化圖可以看出，外界的溫度梯度使天然巖漿中的Fe、Mg、Ca、Ti等組分向冷端擴(kuò)散，而Si、Al、Na、K等組分向熱端擴(kuò)散，這就是有名的Soret效應(yīng)在巖漿作用中的體現(xiàn)。

因而，在低溫端形成“鏈”和“環(huán)”為主的聚合體，在熱端形成具架狀結(jié)構(gòu)的“三維網(wǎng)絡(luò)”聚合體，顯然，熱端的“三維網(wǎng)絡(luò)”聚合體的質(zhì)量要低于冷端“鏈”和“環(huán)”等聚合體的質(zhì)量。Soret效應(yīng)就這樣使巖漿中不同元素，因?yàn)樗Y(jié)合的結(jié)構(gòu)單元存在“質(zhì)量差”而分離。在這里，Soret效應(yīng)與流體不混熔（液體熔離作用）作用分選結(jié)構(gòu)單位的情形相似，但分選機(jī)制不同。在熔離作用中分選機(jī)制是由熔體結(jié)構(gòu)上的不協(xié)調(diào)（不匹配）所致。

在溫度梯度中，原子有可能而且確實(shí)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樵谠谹的原子上有一驅(qū)動(dòng)力f_A，例如Denbigh（1951）給出此力的大小為：

式中Q*為遷移熱，是一個(gè)大小或符號(hào)都難以估計(jì)的量，但在物理意義上是造成擴(kuò)散躍遷的原子的過(guò)剩能量。對(duì)于一種氣體或液體夾雜，Q為每個(gè)原子蒸發(fā)或熔化的潛熱，但似乎沒(méi)有確定Q*的通用法則適用于原子遷移（Ho，1966I Nichols，1972）。

對(duì)于通過(guò)空位機(jī)制進(jìn)行擴(kuò)散的金屬的Q*值，有一個(gè)簡(jiǎn)單模型指出：

其中E_m為空位移動(dòng)的能量，β為稍低于1的因數(shù)，E_t為空位的形成能。這個(gè)模型是以下述看法為根據(jù)的：原子的移動(dòng)將沿溫度梯度向下傳輸其一部分運(yùn)動(dòng)所需激活能（其余部分被周?chē)觽鬏敚?，但運(yùn)動(dòng)要求沿空位的溫度梯度向上遷移，這將傳輸其形成能。Ho指出，看來(lái)這種模型對(duì)于電子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的金屬（金，銀，鋼，鋁）是相當(dāng)適用的。這一結(jié)論得到Swalin和Yin（1967）的支持，但對(duì)某些過(guò)渡族金屬，如鉆、鐵，鈦和鉆，發(fā)現(xiàn)的很大的熱遷移值與簡(jiǎn)單的理論不一致。

質(zhì)擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)耦合引起的熱質(zhì)擴(kuò)散，常稱(chēng)之為索瑞效應(yīng)和杜伏效應(yīng)。在熱質(zhì)擴(kuò)散中，由于溫度梯度引起混合物中出現(xiàn)附加的濃度梯度而造成傳質(zhì)，是于1893年由索瑞（C. Soret）在液體中發(fā)現(xiàn)的。杜伏效應(yīng)則是指由于各種物質(zhì)互相擴(kuò)散引起溫度梯度，或者說(shuō)，由于有濃度梯度引起溫度梯度，這是杜伏（L. Dufour）于1872年在氣體中發(fā)現(xiàn)的。杜伏效應(yīng)是索瑞效應(yīng)的逆效應(yīng)。

（1）革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌：全菌體、代謝產(chǎn)物、細(xì)胞壁中的肽聚糖可致熱。

（2）革蘭氏陰性細(xì)菌：全菌體、代謝產(chǎn)物、肽聚糖可致熱，尤其是細(xì)胞壁中所含的★內(nèi)毒素（endotoxin，ET）。

★★內(nèi)毒素：主要成分為脂多糖（lipopolysaccharide，LPS），LPS主要致熱及毒性部分為脂質(zhì)A（Lipid A）。

內(nèi)毒素有高水溶性，高耐熱性，難以滅活及清除，有極強(qiáng)的發(fā)熱效應(yīng)，是最常見(jiàn)的外致熱源，是血液制品和輸液過(guò)程中的主要污染物。

格蘭陰性細(xì)菌重度感染時(shí)若短期大量使用抗生素，則細(xì)菌死亡、裂解時(shí)會(huì)釋放大量?jī)?nèi)毒素而使病情加重甚至導(dǎo)致患者死亡。

（3）分枝桿菌：典型菌群為結(jié)核桿菌。患者多有盜汗及午后低熱。全菌體及細(xì)胞壁中的肽聚糖、多糖和蛋白質(zhì)均可致熱。

（4）病毒：全病毒體、包膜脂蛋白、其所含的血細(xì)胞凝集素及其所含不同的特殊毒素樣物質(zhì)可致熱。

（5）真菌：全菌體及菌體內(nèi)所含莢膜多糖和蛋白質(zhì)可致熱。

（6）螺旋體：常見(jiàn)的有梅毒螺旋體、回歸熱螺旋體、鉤端螺旋體。其所含溶血素、細(xì)胞毒因子、外素素等可致熱。

（7）瘧原蟲(chóng)：感染瘧原蟲(chóng)的紅細(xì)胞破裂時(shí)釋放大量裂殖子和代謝產(chǎn)物（瘧色素等），從而引起高熱。

（8）其他：立克次體、支原體、衣原體等。

熱擴(kuò)散率是指在一定的熱量得失情況下，物體溫度變化快慢的一個(gè)物理量，它的大小與物體的熱導(dǎo)率λ成正比與物體的熱容量Cv成反比，單位是m2/s.可用下式表示：

式中，K為熱擴(kuò)散率；γ為熱導(dǎo)率；Cv為容積熱容量。

物體的熱擴(kuò)散率越大，表明熱量由物體表面向深層或者由深層向物體表面的擴(kuò)散的能力越強(qiáng)，溫度變化所及深度越深，各深度的溫度差消除越快，物體的熱擴(kuò)散率越小，則反之。

熱擴(kuò)散率又叫導(dǎo)溫系數(shù)，它表示物體在加熱或冷卻中，溫度趨于均勻一致的能力；相當(dāng)于物體的蓄熱能力，而分子為熱導(dǎo)率，故兩者之比反映了物質(zhì)熱量擴(kuò)散的能力。這個(gè)綜合物性參數(shù)對(duì)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱沒(méi)有影響，但是在非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程中，它是一個(gè)非常重要的參數(shù)。

熱導(dǎo)率只說(shuō)明物體傳導(dǎo)熱量速度快慢，雖然水的γ是空氣的22.8倍，但空氣的Cv只是水的1/3483，所以，同體積的空氣比水增溫快得多。表征物體增溫快慢的物理量是熱擴(kuò)散系數(shù)K，也稱(chēng)導(dǎo)溫率。