Exact temporal evolution for some non-linear diffusion process

Exact solutions to FokkerPlanck equations with nonlinear drift are considered. Applications of these exact solutions for concrete models are studied. We arrive at the conclusion that for certain drifts we obtain divergent moments (and infinite relaxation time) if the diffusion process can be extended without any obstacle to the whole space. But if we introduce a potential barrier that limits the diffusion process, moments converge with a finite relaxation time.

Diffusion in spatially and temporarily inhomogeneous media

In this paper we consider diffusion of a passive substance C in a temporarily and spatially inhomogeneous two-dimensional medium. As a realization for the latter we choose a phase-separating medium consisting of two substances A and B, whose dynamics is determined by the Cahn-Hilliard equation. Assuming different diffusion coefficients of C in A and B, we find that the variance of the distribution function of the said substance grows less than linearly in time. We derive a simple identity for the variance using a probabilistic ansatz and are then able to identify the interface between A and B as the main cause for this nonlinear dependence. We argue that, finally, for very large times the here temporarily dependent diffusion "constant" goes like t-1/3 to a constant asymptotic value D¿. The latter is calculated approximately by employing the effective-medium approximation and by fitting the simulation data to the said time dependence.

Estimation of a maximum Lu diffusion rate in a natural eclogite garnet

Lutetium zoning in garnet within eclogites from the Zermatt-Saas Fee zone, Western Alps, reveal sharp, exponentially decreasing central peaks. They can be used to constrain maximum Lu volume diffusion in garnets. A prograde garnet growth temperature interval of 450-600 A degrees C has been estimated based on pseudosection calculations and garnet-clinopyroxene thermometry. The maximum pre-exponential diffusion coefficient which fits the measured central peak is in the order of D-0= 5.7*10(-6) m(2)/s, taking an estimated activation energy of 270 kJ/mol based on diffusion experiments for other rare earth elements in garnet. This corresponds to a maximum diffusion rate of D (600 A degrees C) = 4.0*10(-22) m(2)/s. The diffusion estimate of Lu can be used to estimate the minimum closure temperature, T-c, for Sm-Nd and Lu-Hf age data that have been obtained in eclogites of the Western Alps, postulating, based on a literature review, that D (Hf) < D (Nd) < D (Sm) a parts per thousand currency sign D (Lu). T-c calculations, using the Dodson equation, yielded minimum closure temperatures of about 630 A degrees C, assuming a rapid initial exhumation rate of 50A degrees/m.y., and an average crystal size of garnets (r = 1 mm). This suggests that Sm/Nd and Lu/Hf isochron age differences in eclogites from the Western Alps, where peak temperatures did rarely exceed 600 A degrees C must be interpreted in terms of prograde metamorphism.

Diffusion in stationary flow from mesoscopic nonequilibrium thermodynamics

We analyze the diffusion of a Brownian particle in a fluid under stationary flow. By using the scheme of nonequilibrium thermodynamics in phase space, we obtain the Fokker-Planck equation that is compared with others derived from the kinetic theory and projector operator techniques. This equation exhibits violation of the fluctuation-dissipation theorem. By implementing the hydrodynamic regime described by the first moments of the nonequilibrium distribution, we find relaxation equations for the diffusion current and pressure tensor, allowing us to arrive at a complete description of the system in the inertial and diffusion regimes. The simplicity and generality of the method we propose makes it applicable to more complex situations, often encountered in problems of soft-condensed matter, in which not only one but more degrees of freedom are coupled to a nonequilibrium bath.

Biased diffusion in confined media: Test of the Fick-Jacobs approximation and validity criteria

We study biased, diffusive transport of Brownian particles through narrow, spatially periodic structures in which the motion is constrained in lateral directions. The problem is analyzed under the perspective of the Fick-Jacobs equation, which accounts for the effect of the lateral confinement by introducing an entropic barrier in a one-dimensional diffusion. The validity of this approximation, based on the assumption of an instantaneous equilibration of the particle distribution in the cross section of the structure, is analyzed by comparing the different time scales that characterize the problem. A validity criterion is established in terms of the shape of the structure and of the applied force. It is analytically corroborated and verified by numerical simulations that the critical value of the force up to which this description holds true scales as the square of the periodicity of the structure. The criterion can be visualized by means of a diagram representing the regions where the Fick-Jacobs description becomes inaccurate in terms of the scaled force versus the periodicity of the structure.

Application of Information Statistical Theory to the Description of the Effect of Heat Conduction on the Chemical Reaction Rate in Gases

The effect of the heat flux on the rate of chemical reaction in dilute gases is shown to be important for reactions characterized by high activation energies and in the presence of very large temperature gradients. This effect, obtained from the second-order terms in the distribution function (similar to those obtained in the Burnett approximation to the solution of the Boltzmann equation), is derived on the basis of information theory. It is shown that the analytical results describing the effect are simpler if the kinetic definition for the nonequilibrium temperature is introduced than if the thermodynamic definition is introduced. The numerical results are nearly the same for both definitions

Effective Electrodiffusion equation for non uniform nanochannels

We derive a one dimensional formulation of the Planck-Nernst-Poisson equation to describe the dynamics of of a symmetric binary electrolyte in channels whose section is of nanometric section and varies along the axial direction. The approach is in the spirit of the Fick-Jacobs di fusion equation and leads to a system of coupled equations for the partial densities which depends on the charge sitting at the walls in a non trivial fashion. We consider two kinds of non uniformities, those due to the spatial variation of charge distribution and those due to the shape variation of the pore and report one and three-dimensional solutions of the electrokinetic equations.

Modeling of Gold Cyanidation

The chemistry of gold dissolution in alkaline cyanide solution has continually received attention and new rate equations expressing the gold leaching are still developed. The effect of leaching parameters on gold gold cyanidation is studied in this work in order to optimize the leaching process. A gold leaching model, based on the well-known shrinking-core model, is presented in this work. It is proposed that the reaction takes place at the reacting particle surface which is continuously reduced as the reaction proceeds. The model parameters are estimated by comparing experimental data and simulations. The experimental data used in this work was obtained from Ling et al. (1996) and de Andrade Lima and Hodouin (2005). Two different rate equations, where the unreacted amount of gold is considered in one equation, are investigated. In this work, it is presented that the reaction at the surface is the rate controlling step since there is no internal diffusion limitation. The model considering the effect of non-reacting gold shows that the reaction orders are consistent with the experimental observations reported by Ling et al. (1996) and de Andrade Lima and Hodouin (2005). However, it should be noted that the model obtained in this work is based on assumptions of no side reactions, no solid-liquid mass transfer resistances and no effect from temperature.

Covalidation of Integral Transforms and Method of Lines in Nonlinear Convection-Diffusion with Mathematica

The Mathematica system (version 4.0) is employed in the solution of nonlinear difusion and convection-difusion problems, formulated as transient one-dimensional partial diferential equations with potential dependent equation coefficients. The Generalized Integral Transform Technique (GITT) is first implemented for the hybrid numerical-analytical solution of such classes of problems, through the symbolic integral transformation and elimination of the space variable, followed by the utilization of the built-in Mathematica function NDSolve for handling the resulting transformed ODE system. This approach ofers an error-controlled final numerical solution, through the simultaneous control of local errors in this reliable ODE's solver and of the proposed eigenfunction expansion truncation order. For covalidation purposes, the same built-in function NDSolve is employed in the direct solution of these partial diferential equations, as made possible by the algorithms implemented in Mathematica (versions 3.0 and up), based on application of the method of lines. Various numerical experiments are performed and relative merits of each approach are critically pointed out.

Action collective patronale : les mécanismes de diffusion entre les niveaux sectoriel et local

Cette recherche s'intéresse à l'acteur patronal organisé, encore peu étudié en Amérique du Nord. Pourtant, cet acteur est fortement organisé au Québec et il exerce une influence reconnue sur les politiques publiques et les relations industrielles. Cette recherche vise à mieux comprendre la logique d’action des employeurs et les lieux où ils exercent leur influence. Plus important encore, la recherche s’interroge sur les mécanismes de diffusion utilisés par les associations patronales pour transmettre à leurs membres des orientations et des lignes directrices à adopter. Tout comme pour l’acteur syndical qui doit développer sa capacité représentative (Dufour, Hege, Levesque et Murray, 2009), nous croyons qu’il en est de même pour l’acteur patronal. Bref, cette étude cherche à comprendre comment les associations patronales vont s'assurer que leurs membres adoptent des pratiques en lien avec les positions défendues dans les institutions du marché du travail et dans la sphère des politiques publiques. Notre question de recherche est la suivante : Quels sont les mécanismes développés par les associations patronales pour diffuser leurs orientations en matière de politiques publiques et de relations du travail en vue d’influencer les pratiques locales de gestion de leurs membres? Au plan théorique, cette étude mobilise les idées développées par les approches néo-institutionnalistes pour mieux expliquer comment les acteurs vont utiliser les institutions en place pour façonner les règles dans leurs intérêts, ce qui suppose d’abord une capacité de représentation et une cohérence dans les actions entre les niveaux où se situent l’acteur. On cherche à comprendre comment les associations peuvent coordonner les actions patronales en réaction aux changements qui s’opèrent dans l’environnement institutionnel. Les associations patronales sont des entrepreneurs institutionnels (Crouch, 2005) qui sont à la recherche active d’opportunités et de leviers de pouvoir à utiliser pour maximiser leurs intérêts de leurs membres et par la même occasion, réduire les incertitudes en provenance de l’environnement (Campbell, 2004; Streeck et Thelen, 2005; Crouch, 2005). Toujours au niveau théorique, cette étude se base sur les idées avancées par la sociologie des logiques d’action. Cette approche théorique nous permet de rendre compte des niveaux sectoriel et local où s’enracinent les comportements des employeurs. Au niveau sectoriel, il existe une pluralité d’instances qui contribuent à façonner les logiques d’actions des associations patronales. La sociologie des logiques d’actions nous permet d’envisager l’association patronale comme un groupe qui dispose d’une vie qui lui est propre avec une relative autonomie de fonctionnement. La capacité d’influence de l’association serait tributaire des mécanismes de coordination de l’action utilisés pour susciter l’accord au sein du groupe. Les mécanismes de coordination de l’action devraient permettre une connexion régulière et stable entre l’association et ses membres. Cette recherche s’intéresse aux associations patronales qui ont recours à un ensemble de moyens pour diffuser les orientations privilégiées aux entreprises membres. Au plan empirique, cette recherche propose de répondre aux trois objectifs suivants : (1) mieux comprendre les formes d’organisation patronales dans les mines au Québec; (2) mieux saisir la structure et la logique d’action des associations patronales sur les politiques publiques, les relations de travail et le marché du travail et finalement (3) mieux comprendre les mécanismes développés par les associations patronales pour diffuser leurs orientations en vue d’influencer les pratiques locales de gestion de leurs membres. Pour atteindre nos objectifs de recherche, nous avons utilisé une méthodologie qualitative de recherche soit une étude de cas du secteur des mines au Québec. Cette dernière a été conduite en trois étapes : la préparation, la collecte des données et l’interprétation (Merriam, 1998). Les données de cette étude ont été recueillies à l’hiver 2012, par le biais d’entretiens semi-directifs auprès de gestionnaires d’entreprises minières et de dirigeants d’associations minières. Une analyse qualitative du contenu de ces entrevues a été effectuée en lien avec la revue de littérature et nos propositions de recherche. À cette fin, nous avons utilisé la technique de l’appariement logique de Yin (1994), ce qui nous a permis de comparer nos observations à nos propositions de recherche. Au niveau des résultats, nous avons pu constater que les associations patronales du secteur des mines au Québec, endossent davantage le rôle de porte-parole de l’industrie auprès du gouvernement que celui de développeur de services aux membres. Les actions des associations patronales s’exercent à tous les niveaux décisionnels afin d’assurer la meilleure promotion possible des intérêts des employeurs. La représentation politique représente le champ d’activité le plus important qui compose la logique d’action des associations patronales de la filière minérale québécoise. Mentionnons également que la représentation des intérêts des entreprises auprès du public et des médias est également vitale à l’action collective patronale dans un souci d’acceptabilité sociale. Les associations d’employeurs vont tenter principalement d’influencer les pratiques en relations industrielles qui permettent d’assurer une meilleure image de l’industrie et qui sont jugées prioritaires en fonction du contexte institutionnel en place. La recherche nous a permis d’observer un impact favorable et significatif à la capacité de diffusion pour cinq des sept mécanismes de diffusion faisant partie de notre modèle d’analyse. Trois de ces cinq mécanismes favorisent la capacité de diffusion descendante (transposition de la logique d’action sectorielle sur les pratiques locales des membres) et les deux autres favorisent plutôt la capacité de diffusion ascendante (transposition des enjeux locaux jugés prioritaires sur la logique d’action sectorielle). Les mécanismes qui supportent au mieux la cohésion au sein de l’association sont ceux qui impliquent une relation dynamique entre les représentants et les membres et entre les membres eux-mêmes d’où la pertinence d’une diffusion descendante et ascendante des orientations. Il est à noter qu’étant donné que cette recherche consiste en une étude de cas, des limites méthodologiques liées à la généralisation des résultats sont présentes. Il n’est pas aisé d’affirmer que les résultats de cette microanalyse soient généralisables en raison des spécificités du secteur à l’étude. En contrepartie, les analyses ont servi à l’élaboration d’un modèle qui pourra être utilisé dans des études futures.

The Role of Diffusion in ISOL Targets for the Production of Radioactive Ion Beams

On line isotope separation techniques (ISOL) for production of ion beams of short-lived radionuclides require fast separation of nuclear reaction products from irradiated target materials followed by a transfer into an ion source. As a first step in this transport chain the release of nuclear reaction products from refractory metals has been studied systematically and will be reviewed. High-energy protons (500 - 1000 MeV) produce a large number of radionuclides in irradiated materials via the nuclear reactions spallation, fission and fragmentation. Foils and powders of Re, W, Ta, Hf, Mo, Nb, Zr, Y, Ti and C were irradiated with protons (600 - 1000 MeV) at the Dubna synchrocyclotron, the CERN synchrocyclotron and at the CERN PS-booster to produce different nuclear reaction products. The main topic of the paper is the determination of diffusion coefficients of the nuclear reaction products in the target matrix, data evaluation and a systematic interpretation of the data. The influence of the ionic radius of the diffusing species and the lattice type of the host material used as matrix or target on the diffusion will be evaluated from these systematics. Special attention was directed to the release of group I, II and III-elements. Arrhenius plots lead to activation energies of the diffusion process.

Option pricing in market models driven by telegraph processes with jumps

Esta tesis está dividida en dos partes: en la primera parte se presentan y estudian los procesos telegráficos, los procesos de Poisson con compensador telegráfico y los procesos telegráficos con saltos. El estudio presentado en esta primera parte incluye el cálculo de las distribuciones de cada proceso, las medias y varianzas, así como las funciones generadoras de momentos entre otras propiedades. Utilizando estas propiedades en la segunda parte se estudian los modelos de valoración de opciones basados en procesos telegráficos con saltos. En esta parte se da una descripción de cómo calcular las medidas neutrales al riesgo, se encuentra la condición de no arbitraje en este tipo de modelos y por último se calcula el precio de las opciones Europeas de compra y venta.

Aprofitament de residus vegetals per a la concentració i separació d'ions metàl·lics de solucions aquoses

La adsorció sobre carbó actiu és un tractament habitual para a l'eliminació de metalls contaminants d'afluents aquosos. Amb la finalitat de reduir el cost dels tractament actuals s'està estudiant la utilització d'adsorbents de baix cost com a substituts dels sorbents convencionals que s'utilitzen usualment en els tractaments d'aigües. En aquesta tesi s'ha avaluat la possibilitat d'aprofitar diversos residus vegetals procedents de processos agrícoles o residus industrials, com a sorbents per a l'eliminació de metalls de solucions aquoses. En concret, el treball s'ha centrat en assolir dos grans objectius, primer de tot, conèixer la possibilitat d'utilitzar el pinyol d'oliva com a adsorbent de metalls divalents de solucions aquoses, com són el Cd(II), Cu(II), Ni(II) i Pb(II), i en segon lloc, avaluar la utilització de quatre residus vegetals (escorça de yohimbe, rapa de raïm, suro i pinyol d'oliva) per a l'extracció de Cr(VI) de solucions aquoses i utilitzar el residu vegetal més apropiat com a base per tal d'obtenir un nou sorbent, amb més bona morfologia per ser utilitzat en sistemes d'eliminació de Cr(VI) en continu. Les dades cinètiques d'adsorció es van tractar amb el model cinètic de pseudo-segon ordre, amb el que es van determinar la velocitat inicial d'adsorció dels metalls. Els models d'isotermes d'equilibri de Langmuir i Freundlich es van utilitzar per descriure els equilibris d'adsorció i calcular els paràmetres de les isotermes. En els assajos amb mescles binàries de metalls, els resultats es van tractar amb el model ampliat de Langmuir. En aquest treball s'ha determinat, primerament, que el pinyol d'oliva és un bon sorbent dels metalls divalents estudiats. S'ha determinat que l'adsorció dels metalls varia amb el pH de la solució i que la presència de sals en la solució provoca una davallada en l'adsorció. També es va determinar la competència en l'adsorció entre els metalls al realitzar assajos en mescles binàries. Amb els estudis d'extracció de Cr(VI) amb els quatre materials s'ha determinat que aquests vegetals poden adsorbir el Cr(VI) en solució, tot i que la rapa i la yohimbe són els materials que presenten unes capacitats d'adsorció més elevades. Les anàlisis amb espectroscòpia electrònica de Raig-X realitzats en la rapa de raïm i la yohimbe en contacte amb Cr(VI) varen demostrar la presència del metall en els dos estats d'oxidació, Cr(VI) i Cr(III), evidenciant la participació del mecanisme de reducció de Cr(VI) en l'adsorció del metall sobre els materials. Amb l'encapsulació de la rapa de raïm es va incrementar significativament la capacitat d'adsorció del metall respecta a la seva utilització en la forma original. Les dades experimentals es van tractar amb un model de difusió i es va determinar el coeficient de difusió en l'adsorció en el sorbent amb diferent percentatge de rapa en l'interior. Finalment s'han realitzat estudis preliminars d'adsorció de crom hexavalent en continu utilitzant columnes de petites dimensions farcides amb el sorbent format per boles de rapa encapsulada en alginat càlcic. En aquests assajos s'ha determinat l'efecte en l'adsorció de metall de diversos paràmetres d'operació, com la concentració inicial de metall, el cabal i l'alçada de llit. El model de transferència de matèria i difusió en columna emprat pel tractament de les dades experimentals va mostrar l'efecte de la concentració inicial i del cabal en els coeficients de difusió i transferència de matèria. El model BDST no va predir correctament el temps de servei en els diferents paràmetres d'operació experimentats a causa de la complexitat del procés d'adsorció. Amb aquests assajos preliminars s'han establert les bases de l'adsorció de Cr(VI) amb el nou sorbent en sistemes en continu amb la finalitat de realitzar estudis posteriors d'eliminació del metall en columnes de majors dimensions.

Understanding mixing efficiency in the oceans. Do the nonlinearities of the equation of state matter?

There exist two central measures of turbulent mixing in turbulent stratified fluids that are both caused by molecular diffusion: 1) the dissipation rate D(APE) of available potential energy APE; 2) the turbulent rate of change Wr, turbulent of background gravitational potential energy GPEr. So far, these two quantities have often been regarded as the same energy conversion, namely the irreversible conversion of APE into GPEr, owing to the well known exact equality D(APE)=Wr, turbulent for a Boussinesq fluid with a linear equation of state. Recently, however, Tailleux (2009) pointed out that the above equality no longer holds for a thermally-stratified compressible, with the ratio ξ=Wr, turbulent/D(APE) being generally lower than unity and sometimes even negative for water or seawater, and argued that D(APE) and Wr, turbulent actually represent two distinct types of energy conversion, respectively the dissipation of APE into one particular subcomponent of internal energy called the "dead" internal energy IE0, and the conversion between GPEr and a different subcomponent of internal energy called "exergy" IEexergy. In this paper, the behaviour of the ratio ξ is examined for different stratifications having all the same buoyancy frequency N vertical profile, but different vertical profiles of the parameter Υ=α P/(ρCp), where α is the thermal expansion coefficient, P the hydrostatic pressure, ρ the density, and Cp the specific heat capacity at constant pressure, the equation of state being that for seawater for different particular constant values of salinity. It is found that ξ and Wr, turbulent depend critically on the sign and magnitude of dΥ/dz, in contrast with D(APE), which appears largely unaffected by the latter. These results have important consequences for how the mixing efficiency should be defined and measured in practice, which are discussed.

An investigation of the germylene addition reaction, GeH2+C2H2: Time-resolved gas-phase kinetic studies and quantum chemical calculations of the reaction energy surface

Time resolved studies of germylene, GeH2, generated by laser flash photolysis of 3,4-dimethylgermacyclopentene-3, have been carried out to obtain rate constants for its bimolecular reaction with acetylene, C2H2. The reaction was studied in the gas-phase over the pressure range 1-100 Tort, with SF6 as bath gas, at 5 temperatures in the range 297-553 K. The reaction showed a very slight pressure dependence at higher temperatures. The high pressure rate constants (obtained by extrapolation at the three higher temperatures) gave the Arrhenius equation: log(k(infinity)/cm(3) molecule(-1) s(-1)) (-10.94 +/- 0.05) + (6.10 +/- 0.36 kJ mol(-1))/RTln10. These Arrhenius parameters are consistent with a fast reaction occurring at approximately 30% of the collision rate at 298 K. Quantum chemical calculations (both DFT and ab initio G2//B3LYP and G2//QCISD) of the GeC2H4 potential energy surface (PES), show that GeH2 + C2H2 react initially to form germirene which can isomerise to vinylgermylene with a relatively low barrier. RRKM modelling, based on a loose association transition state, but assuming vinylgermylene is the end product (used in combination with a weak collisional deactivation model) predicts a strong pressure dependence using the calculated energies, in conflict with the experimental evidence. The detailed GeC2H4 PES shows considerable complexity with ten other accessible stable minima (B3LYP level), the three most stable of which are all germylenes. Routes through this complex surface were examined in detail. The only product combination which appears capable of satisfying the (P-3) + C2H4.C2H4 was confirmed as a product by GC observed lack of a strong pressure dependence is Ge(P-3) + C2H4. C2H4 was confirmed as a product by GC analysis. Although the formation of these products are shown to be possible by singlet-triplet curve crossing during dissociation of 1-germiranylidene (1-germacyclopropylidene), it seems more likely (on thermochernical grounds) that the triplet biradical, (GeCH2CH2.)-Ge-., is the immediate product precursor. Comparisons are made with the reaction of SiH2 with C2H2.