Flujo de Stefan

El flujo de Stefan , también llamado flujo de Stefan , es un fenómeno de transporte que se refiere al movimiento de una especie química por un fluido en movimiento (generalmente en fase gaseosa ) cuyo flujo se induce por la producción o eliminación de dicha especie en una interfaz . Cualquier proceso que añada o elimine la especie de interés del fluido en movimiento puede provocar el flujo de Stefan, pero los procesos más comunes incluyen la evaporación , la condensación , la reacción química , la sublimación , la ablación , la adsorción , la absorción y la desorción . Recibe su nombre del físico, matemático y poeta esloveno Josef Stefan por sus primeros trabajos sobre el cálculo de las tasas de evaporación. ^{[ 1 ]}

El flujo de Stefan es distinto de la difusión descrita por la ley de Fick , pero la difusión casi siempre también ocurre en sistemas multiespecie que experimentan el flujo de Stefan. ^{[ 2 ]} En sistemas que experimentan uno de los procesos de adición o eliminación de especies mencionados anteriormente, la adición o eliminación genera un flujo medio en el fluido que fluye, ya que el fluido junto a la interfaz es desplazado por la producción o eliminación de fluido adicional debido a los procesos que ocurren en la interfaz. El transporte de las especies por este flujo medio es el flujo de Stefan. Cuando también existen gradientes de concentración de las especies, la difusión transporta las especies con respecto al flujo medio. La tasa de transporte total de las especies viene dada entonces por la suma de las contribuciones del flujo de Stefan y la difusión.

An example of the Stefan flow occurs when a droplet of liquid evaporates in air. In this case, the vapor/air mixture surrounding the droplet is the flowing fluid, and liquid/vapor boundary of the droplet is the interface. As heat is absorbed by the droplet from the environment, some of the liquid evaporates into vapor at the surface of the droplet, and flows away from the droplet as it is displaced by additional vapor evaporating from the droplet. This process causes the flowing medium to move away from the droplet at some mean speed that is dependent on the evaporation rate and other factors such as droplet size and composition. In addition to this mean flow, a concentration gradient must exist in the neighborhood of the droplet (assuming an isolated droplet) since the flowing medium is mostly air far from the droplet and mostly vapor near the droplet. This gradient causes Fickian diffusion that transports the vapor away from the droplet and the air towards it, with respect to the mean flow. Thus, in the frame of the droplet, the flow of vapor away from the droplet is faster than for the pure Stefan flow, since diffusion is working in the same direction as the mean flow. However, the flow of air away from the droplet is slower than the pure Stefan flow, since diffusion is working to transport air back towards the droplet against the Stefan flow. Such flow from evaporating droplets is important in understanding the combustion of liquid fuels such as diesel in internal combustion engines, and in the design of such engines. The Stefan flow from evaporating droplets and subliming ice particles also plays prominently in meteorology as it influences the formation and dispersion of clouds and precipitation.

• C. T. Bowman, Course Notes on Combustion, 2004, Stanford University course reference material for ME 371: Fundamentals of Combustion.
• C. T. Bowman, Course Notes on Combustion, 2005, Stanford University course reference material for ME 372: Combustion Applications.