Поток Стефана , иногда называемый потоком Стефана , представляет собой явление переноса , связанное с перемещением химических веществ текущей жидкостью (обычно в газовой фазе ) , которая вызывается в результате образования или удаления частиц на границе раздела . Любой процесс, который добавляет интересующие вещества в текущую жидкость или удаляет их из текущей жидкости, может вызвать поток Стефана, но наиболее распространенные процессы включают испарение , конденсацию , химическую реакцию , сублимацию , абляцию , адсорбцию , абсорбцию и десорбцию . Он был назван в честь словенского физика, математика и поэта Йозефа Стефана за его раннюю работу по расчету скорости испарения.
Поток Стефана отличается от диффузии , описанной законом Фика , но диффузия почти всегда также происходит в многовидовых системах, в которых наблюдается поток Стефана. [1] В системах, подвергающихся одному из процессов добавления или удаления частиц, упомянутых ранее, добавление или удаление создает средний поток в текущей жидкости, поскольку жидкость рядом с границей раздела вытесняется за счет образования или удаления дополнительной жидкости в результате происходящих процессов. на интерфейсе. Перенос видов этим средним потоком называется потоком Стефана. Когда также присутствуют градиенты концентрации видов, диффузия переносит виды относительно среднего потока. Общая скорость переноса видов затем определяется суммированием Стефановского потока и диффузионного вклада.
Пример течения Стефана возникает, когда капля жидкости испаряется в воздухе. В этом случае паровоздушная смесь, окружающая каплю, является текущей жидкостью, а граница жидкость/пар капли является границей раздела. Поскольку тепло поглощается каплей из окружающей среды , некоторая часть жидкости испаряется в пар на поверхности капли и стекает от капли, поскольку она вытесняется дополнительным паром, испаряющимся из капли. Этот процесс заставляет текущую среду удаляться от капли с некоторой средней скоростью, которая зависит от скорости испарения и других факторов, таких как размер и состав капли. В дополнение к этому среднему потоку вблизи капли должен существовать градиент концентрации (при условии, что капля изолирована), поскольку текущей средой в основном является воздух вдали от капли и в основном пар вблизи капли. Этот градиент вызывает диффузию Фика, которая переносит пар от капли, а воздух — к ней относительно среднего потока. Таким образом, в рамках капли поток пара от капли происходит быстрее, чем для чистого потока Стефана, поскольку диффузия работает в том же направлении, что и средний поток. Однако поток воздуха от капли медленнее, чем чистый поток Стефана, поскольку диффузия транспортирует воздух обратно к капле против потока Стефана. Такой поток испаряющихся капель важен для понимания процесса сгорания жидкого топлива, такого как дизельное топливо, в двигателях внутреннего сгорания, а также для проектирования таких двигателей. Поток Стефана от испаряющихся капель и сублимирующих частиц льда также играет важную роль в метеорологии, поскольку он влияет на образование и рассеивание облаков и осадков.