الترحيل الحراري

الترحيل الحراري (ويُعرف أيضًا بالهجرة الحرارية ، أو الانتشار الحراري ، أو تأثير سوريه ، أو تأثير لودفيج-سوريه ) ظاهرة تُلاحظ في مخاليط الجسيمات المتحركة، حيث تُظهر أنواع الجسيمات المختلفة استجابات متباينة لقوة تدرج درجة الحرارة . تميل هذه الظاهرة إلى نقل الجزيئات الخفيفة إلى المناطق الساخنة والجزيئات الثقيلة إلى المناطق الباردة. يُستخدم مصطلح الترحيل الحراري غالبًا لوصف مخاليط الهباء الجوي التي يكون متوسط ​​مسارها الحر${\displaystyle \lambda }$وهو قابل للمقارنة بمقياس طوله المميز${\displaystyle L}$[ ^{1 ] ولكن قد يشير المصطلح} أيضًا إلى هذه الظاهرة في جميع حالات المادة . يُستخدم مصطلح تأثير سوريه عادةً لوصف المخاليط السائلة، التي تتصرف وفقًا لآليات مختلفة وأقل فهمًا من المخاليط الغازية . قد لا ينطبق مصطلح الترحيل الحراري على الهجرة الحرارية في المواد الصلبة، وخاصة السبائك متعددة الأطوار.

تُلاحَظ هذه الظاهرة على نطاق ملليمتر واحد أو أقل. ومن الأمثلة التي يمكن ملاحظتها بالعين المجردة في إضاءة جيدة، ما يحدث عندما يُحاط قضيب التسخين في المدفأة الكهربائية بدخان التبغ: إذ يبتعد الدخان عن محيط القضيب الساخن. فعندما تسخن جزيئات الهواء الصغيرة الأقرب إلى القضيب، تُحدث تيارًا سريعًا بعيدًا عنه، باتجاه تدرج درجة الحرارة. ورغم تشابه الطاقة الحركية للجزيئات عند نفس درجة الحرارة، إلا أن الجزيئات الأخف تكتسب سرعة أكبر مقارنةً بالجزيئات الأثقل. وعندما تصطدم هذه الجزيئات بجزيئات دخان التبغ الكبيرة الأبطأ حركة، فإنها تدفعها بعيدًا عن القضيب. وتُعد القوة التي دفعت جزيئات الدخان بعيدًا عن القضيب مثالًا على القوة الحرارية، حيث يبلغ متوسط ​​المسار الحر للهواء في الظروف المحيطة 68  نانومترًا ^{[ 2 ]} ، وتتراوح أطوالها المميزة بين 100 و1000  نانومتر ^{[ 3 ] .}

يُصنَّف الانتشار الحراري بأنه "موجب" عندما تتحرك الجسيمات من منطقة ساخنة إلى منطقة باردة، و"سالب" عندما يكون العكس صحيحًا. عادةً ما تُظهر الجسيمات الأثقل/الأكبر حجمًا في الخليط سلوكًا حراريًا موجبًا، بينما تُظهر الجسيمات الأخف/الأصغر حجمًا سلوكًا سالبًا. بالإضافة إلى أحجام أنواع الجسيمات المختلفة وانحدار تدرج درجة الحرارة، تلعب الموصلية الحرارية وامتصاص الحرارة للجسيمات دورًا مهمًا. وقد أشار براون وزملاؤه إلى أن شحنة وإنتروبيا غلاف التميؤ للجزيئات تلعب دورًا رئيسيًا في الانتشار الحراري للجزيئات الحيوية في المحاليل المائية. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

يُعطى الوصف الكمي بواسطة $${\displaystyle {\frac {\partial \chi }{\partial t}}=\nabla \cdot (D\,\nabla \chi +D_{\text{T}}\,\chi (1-\chi )\,\nabla T),}$$ أين${\displaystyle \chi }$تركيز الجسيمات،${\displaystyle D}$معامل الانتشار، و${\displaystyle D_{\text{T}}}$معامل الانتشار الحراري . ناتج قسمة كلا المعاملين، $${\displaystyle S_{T}={\frac {D_{\text{T}}}{D}},}$$ يُطلق عليه معامل سوريه.

تم حساب عامل الترحيل الحراري من إمكانات التفاعل الجزيئي المستمدة من النماذج الجزيئية المعروفة. ^{[ 6 ]}

تتمتع القوة الحرارية بعدد من التطبيقات العملية. ويكمن أساس هذه التطبيقات في أنه نظرًا لاختلاف حركة أنواع الجسيمات المختلفة تحت تأثير تدرج درجة الحرارة، يمكن فصل هذه الجسيمات بواسطة هذه القوة بعد اختلاطها، أو منع اختلاطها إذا كانت منفصلة بالفعل.

قد تنتقل أيونات الشوائب من الجانب البارد لرقاقة أشباه الموصلات نحو الجانب الساخن، حيث تُسهّل درجة الحرارة المرتفعة الوصول إلى بنية الانتقال اللازمة للقفزات الذرية. وقد يحدث التدفق الانتشارى في أي من الاتجاهين (مع أو مع تدرج درجة الحرارة)، وذلك تبعًا للمواد المستخدمة. وقد استُخدمت القوة الحرارية في أجهزة الترسيب التجارية لتطبيقات مشابهة لأجهزة الترسيب الكهروستاتيكية . كما تُستغل هذه القوة في تصنيع الألياف البصرية في عمليات الترسيب الفراغي . ويمكن أن تكون مهمة كآلية نقل في التلوث . وقد أظهرت الدراسات أيضًا أن للترسيب الحراري إمكانات في تسهيل اكتشاف الأدوية من خلال السماح بالكشف عن ارتباط الأبتامر عن طريق مقارنة حركة الجزيء المستهدف في حالتي الارتباط وعدم الارتباط. ^{[ 7 ]} وقد أُطلق على هذا النهج اسم الترسيب الحراري على المستوى الميكروسكوبي . ^{[ ٨ ] [ ٩ ]} علاوة على ذلك، فقد ثبت أن الترحيل الحراري تقنية متعددة الاستخدامات لمعالجة الجزيئات الحيوية الكبيرة المفردة، مثل الحمض النووي DNA بطول الجينوم ، وفيروس نقص المناعة البشرية ^{[ ١٠ ] [ ١١ ]} في القنوات الدقيقة والنانوية عن طريق التسخين الموضعي الناتج عن الضوء. ^{[ ١٢ ]} يُعد الترحيل الحراري أحد الطرق المستخدمة لفصل جزيئات البوليمر المختلفة في تجزئة التدفق الميداني . ^{[ ١٣ ]}

تمت ملاحظة ظاهرة الترحيل الحراري في مخاليط الغازات لأول مرة وتم الإبلاغ عنها من قبل جون تيندال في عام 1870، وتم فهمها بشكل أكبر من قبل جون ستروت (البارون رايلي) في عام 1882. ^{[ 14 ]} تمت ملاحظة ظاهرة الترحيل الحراري في مخاليط السوائل لأول مرة وتم الإبلاغ عنها من قبل كارل لودفيج في عام 1856، وتم فهمها بشكل أكبر من قبل تشارلز سوريه في عام 1879.

كتب جيمس كليرك ماكسويل في عام 1873 بشأن مخاليط من أنواع مختلفة من الجزيئات (ويمكن أن يشمل ذلك الجسيمات الصغيرة الأكبر من الجزيئات): ^{[ 15 ]}

 تستمر عملية الانتشار هذه في الغازات والسوائل، وحتى في بعض المواد الصلبة  . كما توضح لنا النظرية الديناميكية ما سيحدث إذا سُمح لجزيئات ذات كتل مختلفة بالاصطدام ببعضها. ستتحرك الجزيئات ذات الكتل الأكبر أبطأ من الجزيئات ذات الكتل الأصغر، بحيث يكون لكل جزيء، كبيرًا كان أم صغيرًا، نفس طاقة الحركة في المتوسط. وقد طُوِّرَ برهان هذه النظرية الديناميكية، الذي أدعي فيه الأسبقية، وحُسِّنَ بشكل كبير مؤخرًا على يد الدكتور لودفيج بولتزمان . 

وقد تم تحليلها نظرياً بواسطة سيدني تشابمان .

تم اكتشاف ظاهرة الترحيل الحراري عند أسطح المواد الصلبة عدديًا بواسطة Schoen et al. في عام 2006 ^{[ 16 ]} وتم تأكيدها تجريبيًا بواسطة Barreiro et al. ^{[ 17 ].}

لوحظت ظاهرة الترحيل الحراري السلبي في السوائل لأول مرة عام 1967 بواسطة دوير ^{[ 18 ]} في حل نظري، وقد صاغ سون هذا الاسم. ^{[ 19 ]} أما الترحيل الحراري السلبي عند أسطح المواد الصلبة فقد لاحظه لينغ وآخرون ^{[ 20 ]} لأول مرة عام 2016.

• الترسيب (فيزياء الهباء الجوي)
• تأثير دوفور
• انتشار ماكسويل-ستيفان
• الترحيل الحراري على المستوى الميكروي

• تجدون مقدمة موجزة عن الترحيل الحراري، بما في ذلك رسومات متحركة مفيدة، على الموقع الإلكتروني aerosols.wustl.edu
• الترحيل الحراري للحمض النووي في محلول مائي على يوتيوب
• المخاليط الثلاثية
• حمض الهيدروكلوريك
• بروميدات القلويات