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Resumen

Summary and tips Molecular Transport Phenomena for exam preparation

Puntuación
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Vendido
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Páginas
17
Subido en
25-10-2025
Escrito en
2025/2026

This document provides a comprehensive summary of all the topics covered in the Molecular Transport Phenomena course. It includes discussions on Random Walk, Kinetic Gas Theory, Continuum Approach, Langevin Theory, Shell Balance, Multicomponent Diffusion, the Maxwell–Stefan Equation, and the Nernst–Planck Equation. In addition to conceptual overviews, the document contains key derivations and outlines the essential steps required to solve typical exercises related to each topic.

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25 de octubre de 2025
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17
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FORMULA SHEET MTP to sell 🤑 by Momi and Pablo-san✨

Important Things to remember

For a CISTR species: Volume not constant; no rxn
𝑑𝐶! 𝑉
= 𝐶!,!# 𝜑!# − 𝐶!,$%& 𝜑$%&
𝑑𝑡
𝑑𝐶! 𝑑𝑉
𝑉 + 𝐶! = 𝐶!,!# 𝜑!# − 𝐶!,$%& 𝜑$%&
𝑑𝑡 𝑑𝑡
Setting up Shell Balance:

1) Define Control Volume: 𝐴𝜕𝑥
'( '(
2) Conduction: -−𝜆 ') )
0 − -−𝜆 0
') )*+)
𝐹𝑜𝑢𝑟𝑖𝑒𝑟 𝐿𝑎𝑤
'
a. '&
:𝑝𝐶, 𝐴𝑇= = 𝑖𝑛 − 𝑜𝑢𝑡
3) Convection: [𝑣𝐴𝐶! ]) 𝑎𝑛𝑑 [𝑣𝐴𝐶! ])*+)
'-! '-!
4) Diffusion : -−𝐷𝐴 ') )
0 𝑎𝑛𝑑 -−𝐷𝐴 0
') )*+)
5) Set up the balance:
'(-! /')) '-! '-!
Example: '&
= -−𝐷𝐴 ')
0 − -−𝐷𝐴 0
') )*+)
+ [𝑣𝐴𝑐! ]) − [𝑣𝐴𝑐! ])*+)
)
6) Divide by 𝐴 and by 𝜕𝑥 :
𝜕(𝐶! ) 𝜕 𝜕𝐶! 𝜕𝐶! 𝜕
= FG−𝐷 H − G−𝐷 H I+ ([𝑣𝑐! ]) − [𝑣𝑐! ])*+) )
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑥 ) 𝜕𝑥 )*+) 𝜕𝑥
7) Take limit 𝜕𝑥 → 0
𝜕(𝐶! ) 𝜕 𝜕𝐶! 𝜕𝑣𝑐!
= G𝐷 H−
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑥 𝜕𝑥
𝜕(𝐶! ) 𝜕 1 𝐶! 𝜕𝑐!
=𝐷 1
−𝑣
𝜕𝑡 𝜕𝑥 𝜕𝑥
8) Boundary conditions to consider: 𝐶! (𝑥 = 0, 𝑡) = 0 𝑎𝑛𝑑 𝐶! (𝑥 = 𝐿, 𝑡) = 𝐶!,2
+
Remember also: If Newtonian flow contributions: 𝜏)3 = −𝜂 +) 𝑣3 for instance O𝜏)3 P) 𝑑𝑦 −
O𝜏)3 P)*+) 𝑑𝑦

Volume of a Cylinder: 𝑉 = 𝜋𝑟 1 𝐿
4
Volume of a Sphere:𝑉 = 5 𝜋𝑟 5

,Chapter 3
o Explain how a gas is modeled based on the motion of individual gas molecules
o List and motivate the assumptions of the kinetic theory of gases.
o Derive macroscopic properties, such as temperature and pressure, from the kinetic theory of gases.
o Derive expressions for the mean free path length and the speed of gas molecules using a microscopic description.
o Use the Maxwellian distribution of speeds to calculate the mean speed, the most probable speed, and the root
mean square speed

6 #9 9 4
𝜌=7 =7 =7 :'
(Assuming 1 mol) and 𝑉6$; = 𝑉<&$6 𝑁/ with 𝑉<&$6 = 5
𝜋 𝑟5
"#$ "#$ %&#"


Continuum approximation (N=10^4 molecules per unit volume) ->𝜆6= ≪ 𝐿 (Mean free path
is much smaller than the land scale)

Kinetic gas theory -> 𝜆6= ≫ 𝑑 (Mean free path is much larger than the diameter of the
molecule)
> A:'
𝜆6= = 𝑁 =
√1@+ ( : B(

Derivation of velocity from the Gaussian distribution with a width sigma
"*(
6 DE F C) (
𝑓(𝑣) = X1@C 𝑒 (+) , 𝜎=X
)( 6


Speed is the magnitude of the velocity (3 components)

𝑐 1 = 𝑣)1 + 𝑣31 + 𝑣G1

Considering a spherical shell volume with a fraction of molecules with speed c between c
and c+dc
H/ *+H/ H. *+H. H- *+H- I*+I
Z Z Z 𝑓:𝑣) , 𝑣3, 𝑣G =𝑑𝑣) 𝑑𝑣3 𝑑𝑣G = Z 𝑓:𝑣) , 𝑣3, 𝑣G =4𝜋𝑐 1 𝑑𝑐
H/ H. H- I

5 6H-( 6H.( 6H/( 5 6MH-( *H.( *H/( N
𝑚 1 DE F KE1C) ( L DE F 𝑚 1
KE
1C) (
L
1C) ( 1C) (
𝑓:𝑣) , 𝑣3, 𝑣G = = F I 𝑒 𝑒 𝑒 =F I 𝑒
2𝜋𝑘J 𝑇 2𝜋𝑘J 𝑇
By combining the three formulas: Maxwell-Boltzmann speed distribution function
0 "1(
6 ( 1 DE F
𝑓(𝑐) = 4𝜋 _1@C ` 𝑐 𝑒 (+) ,
)(

, Velocity and speed are normalized functions

O ( O (
𝑚 DE
6H
F 𝑚 DE
6H
F 𝑚 2𝜋𝑘J 𝑇
Z 𝑓(𝑣)𝑑𝑣 = a 𝑒 1C ) ( =a Z 𝑒 1C) ( 𝑑𝑣 = a a =1
EO 2𝜋𝑘J 𝑇 2𝜋𝑘J 𝑇 EO 2𝜋𝑘J 𝑇 𝑚

O
( 𝜋
Z 𝑒 E<) 𝑑𝑥 = X
EO 𝑎

O O 5 O ( 5 (
𝑚 1 DE
6I
F 𝑚 1 DE
6I
F
Z 𝑓(𝑐)𝑑𝑐 = Z 4𝜋 F I 𝑐 1 𝑒 1C) ( 𝑑𝑐 = 4𝜋 F I Z 𝑐 1 𝑒 1C) ( 𝑑𝑐
EO EO 2𝜋𝑘J 𝑇 2𝜋𝑘J 𝑇 EO
5 5
𝑚 1 √𝜋 2𝑘J 𝑇 1
= 4𝜋 F I F I =1
2𝜋𝑘J 𝑇 4 𝑚
O
( √𝜋
Z 𝑥 1 𝑒 E<) 𝑑𝑥 = 5
EO 4 𝑎1
Derivation of speeds

Mean speed
O O ( #!
𝑐 = ∫EO𝑐 𝑓(𝑐)𝑑𝑐 with ∫EO 𝑥 1#*> 𝑒 E<) 𝑑𝑥 = 1<234

8𝑘J 𝑇
𝑐=a
𝜋𝑚

Root mean squared speed

O O ( (1#E>)‼ @
𝑐Q6R = X∫EO 𝑐 1 𝑓(𝑐)𝑑𝑐 with ∫EO 𝑥 1# 𝑒 E<) 𝑑𝑥 = 1234 < 2
X< and it is worth noting that
(1#)!
(2𝑛 − 𝑎)‼ =
12 #!


3𝑘J 𝑇
𝑐Q6R = a
𝑚

Most probable speed
5 (
𝑑𝑓(𝑐) 𝑚 1 𝑑 6I
1 DE1C) (F
= 4𝜋 F I h𝑐 𝑒 i
𝑑𝑐 2𝜋𝑘J 𝑇 𝑑𝑐
( ( ( (
𝑑 DE
6I
F DE
6I
F 𝑚 DE1C6I
F DE
6I
F 𝑚𝑐 1
h𝑐 1 𝑒 1C) ( i = 2𝑐 𝑒 1C) ( − 𝑐 5 𝑒 ) ( = 𝑐𝑒 1C) ( h2 − i
𝑑𝑐 𝑘J 𝑇 𝑘J 𝑇
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