Para um campo de velocidade uniforme (
) e difusividade isotrópica
, apresente a equação que define a distribuição de concentração para uma substância conservativa.
Passo 1
Beleza, vamos começar entendendo o que a questão está pedindo. A gente tem um campo de velocidade uniforme, que está se movendo na direção
com velocidade
(ou seja,
). Além disso, temos uma difusividade isotrópica
, o que significa que a difusão ocorre da mesma forma em todas as direções. A questão quer que a gente escreva a equação que descreve como a concentração de uma substância conservativa se distribui nesse cenário. Para resolver isso, vamos precisar usar a equação de advecção-difusão, que combina os efeitos do movimento do fluido (advecção) e da difusão.
Passo 2
Primeiro, vamos falar sobre o que é uma substância conservativa. Basicamente, isso significa que a quantidade da substância permanece constante ao longo do tempo, a menos que ela seja transportada ou difundida. Não há reações químicas consumindo ou produzindo a substância. Portanto, a mudança na concentração da substância está apenas relacionada ao seu transporte e difusão no fluido.
Passo 3
Agora, vamos montar a equação que descreve essa situação. A equação de advecção-difusão geral em três dimensões é dada por:
Aqui,
é a concentração da substância,
é o tempo, e
,
,
são as coordenadas espaciais.
Passo 4
Vamos entender cada termo da equação:
-
: representa a mudança na concentração ao longo do tempo. -
: representa a advecção, ou seja, o transporte da concentração devido ao fluxo uniforme na direção . -
: representa a difusão, que é a propagação da concentração devido à movimentação aleatória das moléculas em todas as direções.
Passo 5
Como a difusividade é isotrópica (
é a mesma em todas as direções), a equação simplifica para incluir os termos de segunda derivada em
,
e
. Mas, se estivermos considerando um fluxo unidimensional, por exemplo, apenas na direção
, poderíamos simplificar ainda mais a equação removendo os termos de
e
. Mesmo assim, a forma completa em três dimensões nos dá uma visão mais geral.
Passo 6
Então, resumindo, a equação que define a distribuição de concentração para uma substância conservativa em um campo de velocidade uniforme
e difusividade isotrópica
é:
Resposta
A equação que define a distribuição de concentração é: