miniatura|upright=1.4|La pols és un exemple d'aerosol Un aerosol és una suspensió de partícules fines sòlides o líquides en un gas.Hinds, 1999, p. 3 Els núvols i la contaminació de l'aire, com ara el smog i el fum, són exemples d'aerosols. En l'àmbit quotidià, la paraula aerosol es refereix generalment a la suspensió que surt d'un esprai. Els aerosols tenen moltes aplicacions tecnològiques, en esprais, dispersió dels pesticides, tractament mèdic de les malalties respiratòries i tecnologies de combustió, entre d'altres.Hidy, 1984, p. 254. La ciència dels aerosols abasta una àmplia gamma de camps, com ara la generació i eliminació d'aerosols, l'aplicació tecnològica d'aquests i els seus efectes sobre el medi ambient i les persones.
Definicions miniatura|Microfotografia feta amb un microscopi electrònic de rastreig (SEM). Ampliació de les partícules d'aerosol Un aerosol es defineix com una suspensió de partícules sòlides o líquides en un gas. Això inclou tant les partícules com el gas de la suspensió, que és generalment l'aire. La paraula aerosol es creu que va ser utilitzada per primera vegada per FG Donnan durant la primera guerra mundial per descriure núvols de partícules microscòpiques en l'aire. Aquest terme és una analogia a una suspensió col·loidal líquida anomenada un hidrosol.Hidy, 1984, p. 5 Un aerosol primari conté partícules que s'introdueixen directament en el gas i un aerosol secundaris es forma quan es produeix una conversió de gas a partícula.Hinds, 1999, p. 8
Existeixen diverses mesures de la concentració d'un aerosol. El més important en l'àrea de la ciència del medi ambient i la salut és la concentració en massa (M), que es defineix com la massa de matèria particulada per unitat de volum en g/m³. També és comunament usada la concentració de nombre (N), el nombre de partícules per unitat de volum, en partícules/m3 o partícules/cm³.Hinds, 1999, p. 10-11.
La grandària de les partícules té una influència important en les seves propietats, i el radi o diàmetre (dp) de la partícula és una propietat clau utilitzada per caracteritzar els aerosols. Si totes les partícules d'un aerosol són de la mateixa grandària l'anomenem monodispers, i aquest tipus d'aerosol es pot produir en el laboratori. La majoria dels aerosols però, són polidispersos, és a dir, tenen una distribució de mides de partícules.Hinds, 1999, p. 8. Mentre que les gotes de líquid són gairebé sempre esfèriques, les partícules sòlides tenen una varietat de formes molt àmplia, i per entendre les seves propietats, s'ha d'utilitzar un diàmetre esfèric equivalent. El diàmetre esfèric equivalent és el diàmetre d'una partícula regular que tindria el mateix valor d'alguna propietat física que la partícula irregular real.Hinds, 1999, p. 10. El diàmetre de volum equivalent (de) es defineix com el diàmetre d'una esfera que tindria el mateix volum que el de la partícula irregular real.Hinds, 1999, p. 51. També s'usa comunament el diàmetre aerodinàmic.
Distribució per mida Per un aerosol monodispers, un sol número, referit al diàmetre de partícula, és suficient per descriure la mida de les partícules. No obstant, per un aerosol polidispers, no és suficient. Necessitarem emprar la distribució de les partícules, a fi de definir-ne la mida. Això defineix la quantitat relativa de partícules i les ordena per mides. Una aproximació per definir la distribució de la mida de la partícula és utilitzant una llista de totes les mides de totes les partícules de la mostra en qüestió. Però, aquest mètode està en franc desús, ja que és molt laboriós, i se'n ha desenvolupat un altre. Es tracta de dividir l'interval de mides de partícules complet, en diferents intervals i assignar un nombre de partícules a cada interval. Per representar-ho s'usen histogrames. Les àrees de les bandes representen la quantitat de partícules en l'interval d'aquestes. Es normalitza dividint el nombre de partícules en l'interval per l'amplada de l'interval i pel nombre total de partícules, fent que l'àrea total sigui igual a 1 i l'àrea de cada banda és igual a la proporció de les partícules en aquell interval de mides.Hinds, 1999, p. 75-77. Si l'amplada d'un interval la fem tendir a zero, obtenim la funció de la freqüència:Hinds, 1999, p. 79
on el diàmetre de les partícules la fracció de partícules que tenen diàmetres entre i + la funció de la freqüència L'àrea entre dos punts a i b referents a mides, compresa sota la corba de freqüències, representa la fracció total de partícules en l'interval d'una determinada mida:Hinds, 1999, p. 79.
També el podem expressar en termes de densitat total de partícules N:Hidy, 1984, p. 58
Si assumim que les partícules d'aerosol són esfèriques, podem trobar la superfície de l'aerosol per unitat de volum, donada pel segon moment:Hidy, 1984, p. 58 i conseqüentment, el tercer moment, dona el volum total de concentració de les partícules:Hidy, 1984, p. 58
També pot ser útil aproximar la distribució de la mida de partícula usant una funció matemàtica. La distribució normal no és usualment adequada per molts aerosols, ja que tenen una distribució esbiaixada, asimètrica amb una llarga cua consistent de partícules més grans. També per una quantitat que varia dins d'un interval llarg, com passa amb molts aerosols, l'amplada de la distribució arriba a implicar mides de partícula negatives, cosa que és físicament irreal. No obstant, la distribució normal pot ser usada i és útil per alguns grups concrets d'aerosols, siguin els aerosols test o bé determinats tipus de grans i espores.Hinds, 1999, p 90.
Una distribució més àmpliament usada és la distribució log-normal, on la freqüència ens ve donada com:
on tenim que
la desviació estàndard de la distribució de mides la mitjana aritmètica de diàmetre
La distribució log-normal no té valors negatius, pot cobrir un gran nombre de valors i s'ajusta a les distribucions de mida observades força bé.Hinds, 1999, p 91. Altres distribucions que poden ser usades per caracteritzar la mida de partícula són:
La distribució de Rosin-Rammler: aplicada a partícules gruixudes i disperses de pols i esprais La distribució de Nukiyama-Tanasawa: Per esprais que tenen intervals de mida molt grans La distribució de funció forta: Que s'aplica a aerosols atmosfèrics La distribució exponencial: Aplicada a materials en pols La distribució de Khrgian-Mazin: Per gotetes en núvols.
Física Velocitat terminal d'una partícula en un fluid Per valors petits del nombre de Reynolds (<1), que es compleix per la majoria de fluxos d'aerosols, la llei de Stokes descriu la força de resistència d'una partícula sòlida esfèrica en un fluid. Tot i així, la llei de Stokes només és vàlida quan la velocitat del gas a la superfície de la partícula és zero. Per partícules petites (<1 μm) aquesta suposició no és vàlida. Es pot fer una correcció mitjançant el factor de correcció de Cunningham que sempre és major que 1. Influint aquest factor la relació entre la força de resistència sobre una partícula i la seva velocitat és:Hinds, 1999, p. 44-49
On: la força de resistència sobre una partícula esfèrica és la viscositat del gas és la velocitat de la partícula el factor de correcció de Cunningham
Això ens permet calcular la velocitat terminal que sedimenta degut únicament a la gravetat en aire estàtic. Negligint els efectes de flotabilitat trobem:Hinds, 1999, p. 49
On: la velocitat terminal de sedimentació de la partícula. La velocitat terminal també es pot derivar d'altres tipus de forces. Si la llei de Stoke llavors sosté que la resistència al moviment és directament proporcional a la velocitat. La constant de proporcionalitat és la mobilitat mecànica (B) de la partícula:Hinds, 1999, p. 47
Si una partícula viatja a una velocitat diferent a la seva velocitat terminal, s'hi acosta exponencialment segons la següent expressió:Hinds, 1991, p 115.
On: és la velocitat de la partícula a un temps t és la velocitat final de la partícula és la velocitat inicial de la partícula
Per tenir en compte l'efecte de les partícules no esfèriques, s'introdueix un factor de correcció a la llei de Stoke conegut com a factor de forma dinàmica. Es defineix com la relació de la força de resistència sobre la partícula irregular amb la de la partícula esfèrica amb el mateix volum i velocitat:Hinds, 1991, p. 51
On:
és el factor de forma dinàmica
Diàmetre Aerodinàmic El diàmetre aerodinàmic d'una partícula de forma irregular es defineix com el diàmetre de la partícula esfèrica amb una densitat de 1000 kg/m3 que té la mateixa velocitat de sedimentació que la partícula irregular. Menyspreant la correcció de lliscament, la velocitat terminal en què s'assenta la partícula és proporcional al quadrat del diàmetre aerodinàmic:
on
= densitat d'una partícula estàndard (1000 kg/m3).
Es pot demostrar que el diàmetre aerodinàmic ve donat per:
El diàmetre aerodinàmic s'aplica normalment a partícules contaminants i medicaments inhalats per predir on es depositaran les partícules en entrar per via respiratòria. Les partícules de fàrmacs per via pulmonar es caracteritzen normalment pel diàmetre aerodinàmic en lloc d'emprar el diàmetre geomètric.
Dinàmica La discussió anterior se centra en les partícules d'aerosol individuals. En contrast, la dinàmica d'aerosols explica l'evolució completa de les poblacions d'aerosol. Les concentracions de partícules canviaran amb el temps com a resultat de molts processos. Els processos externs que mouen les partícules a través de la paret d'un volum de gas inclouen la difusió, la sedimentació gravitacional i la migració causada per forces externes com ara càrregues elèctriques. Un segon conjunt de processos que són interns a un volum donat de gas són la formació de partícules (nucleació), l'evaporació o reacció química i la coagulació.Hidy, 1984, p. 60
L'evolució de l'aerosol a causa d'aquests processos pot ser caracteritzada per una equació diferencial anomenada equació dinàmica Aerosol general (GDE).
Canvi en el temps = transport convectiu + difusió browniana + interaccions gas - partícules + coagulació + migració per forces externes.
On: es la densitat del nombre de partícules segons categoria de mida es la velocitat de la partícula es la difusió d'Stokes – Einstein de la partícula es la velocitat de la partícula associada a una força externa
Coagulació Quan les partícules estan presents en un aerosol xoquen entre elles. Durant aquests xocs poden patir coalescència o agregació. Aquest procés condueix a un canvi en la funció de distribució aerosol nombre / grandària, amb la manera de creixement en diàmetre i la disminució en el nombre.Hinds, 1999, p. 260
Dinàmica de règims Hi ha tres dinàmiques de règims diferents que regeixen el comportament d'un aerosol, poden ser definides pel nombre de Knudsen de la partícula.
On és el recorregut lliure mitjà de la suspensió de gas i és el diàmetre de la partícula. Les partícules estan en el règim de lliure molecular quan Kn >> 1, aquestes partícules són petites en comparació amb el recorregut lliure mitjà de la suspensió de gas. En aquest règim, les partícules interaccionen amb el gas de la suspensió a través d'una sèrie de col·lisions "balístics" amb molècules de gas. Com a tal, es comporten de manera similar a les molècules de gas, que tendeixen a seguir línies de corrent i ràpidament a través de la difusió de moviment brownià. L'equació de flux de massa molecular en el règim lliure:
On a és el radi de la partícula, P∞ i PA són les pressions de lluny I de superfície de la goteta, kb és la constant de Boltzmann, T és la temperatura, CA és la velocitat mitjana tèrmica i α és el coeficient d'allotjament de massa.