Estudio de la difusión de humedad con coeficiente dependiente de la concentración: Enfoques analítico y numérico - Rodríguez Fernández, David (Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, 2019)
En el presente trabajo se presenta el estudio de la cinética de absorción-desorción de humedad en materiales de diferente naturaleza cuando existe cierta dependida del coeficiente de difusión con la concentración de la sustancia difusora. Se clasifican los mecanismos de absorción fundamentalmente en dos tipos: cuando el transporte de sustancia, ocasionado por la presencia de un gradiente de concentraciones en el sistema, y debido al movimiento molecular aleatorio, es el proceso predominante, al cual se le denomina difusión fickiana; y la difusión no fickiana, en la que está presente el flujo difusivo, pero existe una marcada interacción entre las moléculas del material con las moléculas de la sustancia difusora o penetrante. La difusión no fickiana se explica en términos de la dependencia funcional entre el coeficiente de difusión y la concentración de la sustancia difusora, mediante la introducción de varias funciones representativas de dicha dependencia, las cuales han sido clásicamente reportadas en la literatura. Se formula el problema de contorno, asumiendo tales dependencias entre el coeficiente de difusión y la concentración, para modelar la difusión de humedad en las probetas experimentales usualmente utilizadas en los ensayos de humectación. La solución del problema formulado se realiza en el Wolfram Mathematica 11.0 y con el empleo del Método de Líneas. El resultado fundamental es un procedimiento numérico, el cual ha sido implementado computacionalmente, que permite caracterizar cualitativa y cuantitativamente la cinética de difusión de la humedad en materiales donde existe cierta dependencia del coeficiente de difusión con la concentración de la sustancia difusora. Los parámetros cinéticos de la difusión de humedad en diferentes tipos de materiales, con o sin dependencia del coeficiente de difusión de humead con la concentración, pueden ser estimados empleando este procedimiento y los datos experimentales obtenidos de los ensayos clásicos de humectación. El modelo propuesto se valida mediante su ajuste a los datos experimentales reportados para la absorción de humedad en un material de matriz cuasi-cerámica empleado en la fabricación de un fundente aglomerado para la soldadura por arco sumergido. V

In the present research, the study of the absorption-desorption kinetics of moisture in materials of different nature when there is some dependence of the diffusion coefficient with the concentration of the diffusing substance is presented. Absorption mechanisms are classified basically into two types: when the transport of substance, caused by the presence of a concentrations gradient in the system, and due to random molecular movement, is the predominant process, which is called fickian diffusion; and non-fickian diffusion, in which the diffusive flow is present, but there is a marked interaction between the molecules of the material with the molecules of the diffusing or penetrating substance. The non-fickian diffusion is explained in terms of the functional dependence between the diffusion coefficient and the diffusing substance concentration, through the introduction of several representative functions of this dependence, which have been classically reported in the literature. The boundary problem is formulated, assuming such dependencies between the diffusion coefficient and the concentration, to model the moisture diffusion in the experimental specimens usually used in the wetting tests. The problem formulated is solved in the Wolfram Mathematica 11.0 and with the use of the Method of Lines. The fundamental result is a numerical procedure, which has been implemented computationally, which qualitatively and quantitatively characterizes the kinetics of diffusion of moisture in materials where there is a certain dependence of the diffusion coefficient with the diffusing substance concentration. The kinetic parameters of the moisture diffusion in different types of materials, with or without dependence on the moisture diffusion coefficient with the concentration, can be estimated using both this procedure and the experimental data obtained from the classic wetting tests. The proposed model is validated by fitting it to the experimental data reported for moisture absorption in a quasi-ceramic matrix destined to agglomerated fluxes for Submerged Arc Welding.
Keywords: Cinética de Absorción Desorción; Humedad en Materiales; Coeficiente de Difusión; Materiales Higroscópicos; Problema de Contorno; Modelo Numérico; Soldadura; Hidrocinética; Humedad; Medición; Materiales Solventes; Problemas de Contorno; Análisis Numérico; Soldadura