2. Fluids- Microfluidics -Jens DucréeFluids

45
Contents 1. Introduction 2. Fluids 3. Physics of Microfluidic Systems 4. Microfabrication Technologies 5. Flow Control 6. Micropumps 7. Sensors 8. Ink-Jet Technology 9. Liquid Handling 10.Microarrays 11.Microreactors 12.Analytical Chips 13.Particle-Laden Fluids a. Measurement Techniques b. Fundamentals of Biotechnology c. High-Throughput Screening Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 1

description

Microfluidics -Jens DucréeFluids: Transport Phenomena1

Transcript of 2. Fluids- Microfluidics -Jens DucréeFluids

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Contents

1. Introduction

2. Fluids3. Physics of Microfluidic

Systems

4. Microfabrication Technologies

5. Flow Control

6. Micropumps

7. Sensors

8. Ink-Jet Technology

9. Liquid Handling

10.Microarrays

11.Microreactors

12.Analytical Chips

13.Particle-Laden Fluids

a. Measurement Techniques

b. Fundamentals of Biotechnology

c. High-Throughput Screening

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 1

http://www.dcu.ie/~ducreeje/myfluidix/Materials/02_Fluids_04.pdf

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.1. General Characteristics

2.2. Dispersions

2.3. Thermodynamics

2.4. Transport Phenomena2.5. Solutions

2.6. Surface Tension

2.7. Electrical Properties

2.8. Optical Properties

2.9. Biological Fluids

2. Fluids

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 2

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.4.1. Diffusion2.4.2. Viscosity

2.4.3. Transport of Heat

2.4.4. Characteristic Numbers

2.4. Transport Phenomena

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 3

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Transport processes Arbitrary thermal motion on molecular level Driven by gradients (inhomogeneities) Mostly linear relationship

Flow = coefficient force

2.4 Summary of Phenomenological Laws

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 4

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Diffusion Counteracts nonuniform particle densities Thermal „Brownian“ motion Process underlying all other transport phenomena in fluids

Fick‘s first law

2.4.1. Diffusion

Current density jN antiparallel to gradient Systems seeks homogeneity Diffusion coefficient D [m² s-1]

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 5

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Fick‘s second law Time domain Fixed location

Combining Fick‘s first law and equation of continuity

Laplace equation

Stationary conditions

2.4.1. Diffusion

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 6

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Derivation of diffusion constant D Flow through surface z1

Between two planes with divergingparticle densities

Distance = mean free path lmfp Particles reach plane without collisions

(statistically)

Linear term of Taylor expansion

2.4.1 Molecular Picture

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 7

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Calculation of diffusion coefficient Assumption: uniformly distributed directions of all vectors v

2.4.1 Diffusion coefficient

average overEnsemble

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 8

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Example Bilateral diffusion from 2-D layer Within pure solvent Initial conditions

Solution by „educated guess“

2.4.1 Examples for Diffusional Processes

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 9

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.4.1 Examples for Diffusive Processes

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 10

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.4.1 Examples for Diffusive Processes

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 11

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.4.1 Examples for Diffusive Processes

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 12

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.4.1 Examples for Diffusive Processes

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 13

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.4.1 Examples for Diffusive Processes

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 14

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Example Diffusion through permeable diaphragm Initial conditions

2.4.1 Examples for Diffusive Processes

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 15

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.4.1. Laminar Mixing

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 16

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Distance

Time

2.4.1 Time and Length Scales

(“rules of thumb”)

2

2~ l 2 / D

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 17

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Discovered by Scottish Botanist Robert Brown in 1827 Random thermal

motion of pollen under microscope

Closely related to thermal velocity

Mesoscopic particle r0 = 1 µm m = 10-15 kg T = 293 K vT 3 mm s-1

2.4.1 Brownian Motion

Width of distribution

of particle locations

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 18

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.4.1 Brownian Motion

Fluorescent particles

4 seconds of data

2 µm in diameter

Left picture Particles moving in pure water

Right picture shows Particles moving in concentrated solution of DNA I.e., in viscoelastic solution in other words

From http://www.deas.harvard.edu/projects/weitzlab/research/brownian.html

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 19

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.4.1 Brownian Motion

Erratic motion of single milk droplets in water

Droplets size of about 1 micrometer

Continuously kicked by fast-moving water molecules Size 5000 times smaller

Magnification factor of about 10,000http://www.microscopy-uk.org.uk/

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 20

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

System at T in thermal equilibrium

Each particle with certain kinetic energy

Potential gradient Particles accumulate in

potential minimum

Counteracting diffusive current

Boltzmann distribution Ratio of particle densities Ni

at two locations separated by potential difference E

2.4.1 Boltzmann Distribution

Boltzmann function at T = 273 K calibrated to N0 = 1

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 21

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Maxwell distribution Fraction of molecules in

velocity interval [v, v + dv]

f(v)dv is probability of finding a vector vin [v, v + dv]

Normalization of integrand function f(v) to unity

Leads to Maxwell distribution

2.4.1 Maxwell Distribution

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 22

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Transformation into energy space

Replacing v with kinetic energy E = 1/2 mv2

Helps determining which fractionof particles is capable of „jumping“ over a certain potential energy barrier E0

Analytical expression for this fraction

2.4.1 Maxwell Distribution

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 23

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Chemical Reactions Binary collisions Collision rate scales linearly with vT and thus with T1/2

Concentration of reaction partners c also influences speed of reaction

For single step reaction

Reaction rate

- Governed by stoichiometry (x, y, ...) Concentrations c(X), c(Y), … Reaction velocity constant k’c

2.4.1 Reaction Kinetics

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 24

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Chemical reactions Activation energy (Gibbs energy) Simple model reaction

For simplicity: G = U = Eact

Typically Eact = 60 to 250 kJ mol-1

G = Gact – G‘act G < 0 exothermic G > 0 endothermic

Velocity constant of reaction Strongly dependent on T Reaction-specific Arrhenius equation

2.4.1 Reaction Kinetics

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 25

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.4.1. Diffusion

2.4.2. Viscosity2.4.3. Transport of Heat

2.4.4. Characteristic Numbers

2.4. Transport Phenomena

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 26

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Viscosity Transfer of momentum from one plane sliding parallel to another Mediated by fluid sandwiched between them „Internal friction“ of fluid

Newton’s law of viscosity

Relates flow of axial momentum pz = m vZ along lateral x-direction from one plane sliding parallel to another one by viscosity

Unit of : Pas = kg m-1 s-1 or old Poise with 1 Ps = 0.1 Pa s

2.4.2. Viscosity

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 27

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Assumptions for picture:- Flow in z-direction- Uniform particle density

Net flux in x-direction of longitudinal momentum pz

Viscosity of gases

Kinematic viscosity- „Momentum diffusivity“

2.4.2 Viscosity of Gases

Newton

T

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 28

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.4.2 Viscosity of Gases

Order: 10-5 Pa s

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 29

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Liquid Very dense gas lmfp average distance

between molecules Macroscopic behavior governed

by intermolecular potentials

Picture Moving A to A‘ Activation energy E0

External shear stress xz - Force f on each particle on wall- f counteracts motion in

negative z-direction- Momentum loss transferred to B- „Activation energy“ E = f a / 2

2.4.2 Viscosity of Liquids

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 30

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Transfer of momentum pZ = m vZ Lateral velocity gradient

net difference between number of jumps +Z and -Z in positive and negative z-direction, respectively

Evaluation of gradient (using Boltzmann Ansatz)

2.4.2 Viscosity of Liquids

0 fundamental oscillation frequency of molecule between neighbors

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 31

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

First order Taylor expansion for E / kBT

Viscosity of liquids

2.4.2 Viscosity of Liquids

T

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 32

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.4.2 Viscosity of Liquids

Order: 10-3 Pa s(gases: 10-5 Pa s)

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 33

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Newtonian fluids Classical idealized fluids Linear stress-strain relationship I.e. linear relationship between tension tensor

and tensor of rate of deformation (strain rate)

- Viscosity : constant of proportionality Approximated by gases and

„simple“ liquids like water

Non-Newtonian fluids Dispersions containing large

structured macromolecules E.g. polymers and proteins

2.4.2 Newtonian Fluids

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 34

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.4.1. Diffusion

2.4.2. Viscosity

2.4.3. Transport of Heat2.4.4. Characteristic Numbers

2.4. Transport Phenomena

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 35

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Equilibrium thermodynamics System seeks uniform temperature distribution

Inhomogeneous T-distribution Transport of heat

Two basic modes Diffusion

- Statistical phenomenon (related to entropy)- Summarized in macroscopic thermal conductivity

Convection- Far more complicated- Macroscopic ramifications- Minor importance in microworld

Another frequently encountered issue Transfer of thermal energy at interface between two media/phases No inter-phase diffusion / exchange of particles Transmission and transition of heat

2.4.3. Transport of Heat

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 36

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Fourier‘s law Basic equation quantifying diffusive transport of heat

Net flow of energy jQ Thermal conductivity

Power

Cross-section of flow A

Relaxation time for temperature gradient Distance d

2.4.3 Thermal Conductivity

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 37

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Molecular picture

Net energy flow in positive z-direction

Using linear terms of Taylor-expansion

2.4.3 Thermal Conductivity

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 38

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Thermal conductivity

Approximating on lmfp

Independent of particle density N for ideal gas

Heat diffusion coefficient

2.4.3 Thermal Conductivity

kinematic viscosity

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 39

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Typical values

2.4.3 Thermal Conductivity

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 40

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Macroscopic transport of particles Characteristic for macro-devices Important for heat transport in liquids and gases

Forced convection Transport of heat by macroscopic particle flow E.g., by an external mechanical source

Free convection For instance driven by buoyancy

2.4.3 Convection

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 41

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Convective currents Stationary or non-stationary flow patterns

Simulation of convection Often fail to coincide with experimental observations E.g., atmospheric weather and climate

Free Convection of minor importance in microdevices Laminar conditions

2.4.3 Convection

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 42

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

2.4.1. Diffusion

2.4.2. Viscosity

2.4.3. Transport of Heat

2.4.4. Characteristic Numbers

2.4. Transport Phenomena

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 43

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Fourier mass number Characterizes diffusion

Time t, e.g. residence in chemical reaction chamber Typical diffusive time scale tD = l2 / D

Schmidt number Relates viscosity and diffusion

Roughly 0.8 for gases

2.4.4. Characteristic Numbers

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 44

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Pr axisbe ispiel: Ausar beitun gsphaAu sarbeit ung de r Stand ard-Ze lle

Fourier number Diffusion of heat Stored thermal energy

Prandtl number Ratio between momentum diffusivity (via dynamic viscosity )

and heat diffusivity (via thermal conductivity )

Specific heat capacity Cm

Typically 3 to 300 for liquids and 0.7 to1.0 for gases

2.4.4. Characteristic Numbers

Microfluidics - Jens Ducrée Fluids: Transport Phenomena 45