Parallel edition

On the Motion of Particles Suspended in Liquids at Rest, as Required by the Molecular-Kinetic Theory of Heat

By A. Einstein · Annalen der Physik (4) 17, 549–560 (1905).

Deutsch

[p. 554]§ 3. Theorie der Diffusion kleiner suspendierter Kugeln.

English

§ 3. Theory of the diffusion of small suspended spheres.

Deutsch

[p. 554]In einer Flüssigkeit seien suspendierte Teilchen regellos verteilt. Wir wollen den dynamischen Gleichgewichtszustand derselben untersuchen unter der Voraussetzung, daß auf die einzelnen Teilchen eine Kraft KK wirkt, welche vom Orte, nicht aber von der Zeit abhängt. Der Einfachheit halber werde angenommen, daß die Kraft überall die Richtung der XX-Achse habe.

English

Let suspended particles be distributed irregularly in a liquid. We shall investigate their state of dynamic equilibrium under the assumption that on the individual particles there acts a force KK that depends on position but not on time. For the sake of simplicity let it be assumed that the force everywhere has the direction of the XX-axis.

Deutsch

[p. 554]Es sei ν\nu die Anzahl der suspendierten Teilchen pro Volumeneinheit, so ist im Falle des thermodynamischen Gleichgewichtes ν\nu eine solche Funktion von xx, daß für eine beliebige virtuelle Verrückung δx\delta x der suspendierten Substanz die Variation der freien Energie verschwindet. Man hat also:δF=δE−TδS=0.\delta F = \delta E - T \delta S = 0.Free energySystem energyAbsolute temperatureEntropyExplain this equation Es werde angenommen, daß die Flüssigkeit senkrecht zur XX-Achse den Querschnitt 1 habe und durch die Ebenen x=0x = 0 und x=lx = l begrenzt sei. Man hat dann:δE=−∫0lKνδxdx\delta E = -\int_0^l K \nu \delta x d xSystem energyColumn lengthExternal force per particleNumber densityExplain this equation undδS=∫0lRνN∂δx∂xdx=−RN∫0l∂ν∂xδxdx.\delta S = \int_0^l R \frac{\nu}{N} \frac{\partial \delta x}{\partial x} d x = -\frac{R}{N} \int_0^l \frac{\partial \nu}{\partial x} \delta x d x.EntropyColumn lengthGas constantNumber densityAvogadro's numberExplain this equation Die gesuchte Gleichgewichtsbedingung ist also:−Kν+RTN∂ν∂x=0-K \nu + \frac{R T}{N} \frac{\partial \nu}{\partial x} = 0External force per particleNumber densityGas constantAbsolute temperatureAvogadro's numberExplain this equation oderKν−∂p∂x=0.K \nu - \frac{\partial p}{\partial x} = 0.External force per particleNumber densityOsmotic pressureExplain this equation Die letzte Gleichung sagt aus, daß der Kraft KK durch osmotische Druckkräfte das Gleichgewicht geleistet wird.

English

Let ν\nu be the number of suspended particles per unit volume; then in the case of thermodynamic equilibrium ν\nu is a function of xx such that, for an arbitrary virtual displacement δx\delta x of the suspended substance, the variation of the free energy vanishes. We therefore have: δF=δE−TδS=0.\delta F = \delta E - T \delta S = 0.Free energySystem energyAbsolute temperatureEntropyExplain this equation Let it be assumed that the liquid has cross-section 1 perpendicular to the XX-axis and is bounded by the planes x=0x = 0 and x=lx = l. We then have: δE=−∫0lKνδxdx\delta E = -\int_0^l K \nu \delta x d xSystem energyColumn lengthExternal force per particleNumber densityExplain this equation and δS=∫0lRνN∂δx∂xdx=−RN∫0l∂ν∂xδxdx.\delta S = \int_0^l R \frac{\nu}{N} \frac{\partial \delta x}{\partial x} d x = -\frac{R}{N} \int_0^l \frac{\partial \nu}{\partial x} \delta x d x.EntropyColumn lengthGas constantNumber densityAvogadro's numberExplain this equation The equilibrium condition sought is therefore: −Kν+RTN∂ν∂x=0-K \nu + \frac{R T}{N} \frac{\partial \nu}{\partial x} = 0External force per particleNumber densityGas constantAbsolute temperatureAvogadro's numberExplain this equation or Kν−∂p∂x=0.K \nu - \frac{\partial p}{\partial x} = 0.External force per particleNumber densityOsmotic pressureExplain this equation The last equation states that the force KK is held in equilibrium by forces of osmotic pressure.

Deutsch

[pp. 554–555]Die Gleichung (1) benutzen wir, um den Diffusionskoeffizienten der suspendierten Substanz zu ermitteln. Wir können den eben betrachteten dynamischen Gleichgewichtszustand als die Superposition zweier in umgekehrtem Sinne verlaufender Prozesse auffassen, nämlich
1. einer Bewegung der suspendierten Substanz unter der Wirkung der auf jedes einzelne suspendierte Teilchen wirkenden Kraft KK,
2. eines Diffusionsvorganges, welcher als Folge der ungeordneten Bewegungen der Teilchen infolge der Molekularbewegung der Wärme aufzufassen ist.

English

We use equation (1) to determine the diffusion coefficient of the suspended substance. We can regard the state of dynamic equilibrium just considered as the superposition of two processes running in opposite directions, namely
1. a motion of the suspended substance under the action of the force KK acting on each individual suspended particle,
2. a process of diffusion, which is to be regarded as a consequence of the irregular motions of the particles due to the molecular motion of heat.

Deutsch

[p. 555]Haben die suspendierten Teilchen Kugelform (Kugelradius PP) und besitzt die Flüssigkeit den Reibungskoeffizienten kk, so erteilt die Kraft KK dem einzelnen Teilchen die Geschwindigkeit[1)]K6πkP,\frac{K}{6 \pi k P},External force per particleDynamic viscosityParticle radiusExplain this equation und es treten durch die Querschnittseinheit pro ZeiteinheitνK6πkP\frac{\nu K}{6 \pi k P}Number densityExternal force per particleDynamic viscosityParticle radiusExplain this equation Teilchen hindurch.

English

If the suspended particles are spherical (sphere radius PP) and the liquid has the coefficient of friction kk, the force KK imparts to the individual particle the velocity[1)] K6πkP,\frac{K}{6 \pi k P},External force per particleDynamic viscosityParticle radiusExplain this equation and through the unit of cross-section there pass per unit time νK6πkP\frac{\nu K}{6 \pi k P}Number densityExternal force per particleDynamic viscosityParticle radiusExplain this equation particles.

Deutsch

[p. 555]Bezeichnet ferner DD den Diffusionskoeffizienten der suspendierten Substanz und μ\mu die Masse eines Teilchens, so treten pro Zeiteinheit infolge der Diffusion−D∂(μν)∂xGramm-D \frac{\partial (\mu \nu)}{\partial x} \quad \text{Gramm}Diffusion coefficientParticle massNumber densityExplain this equation oder−D∂ν∂x-D \frac{\partial \nu}{\partial x}Diffusion coefficientNumber densityExplain this equation Teilchen durch die Querschnittseinheit. Da dynamisches Gleichgewicht herrschen soll, so muß sein:νK6πkP−D∂ν∂x=0.\frac{\nu K}{6 \pi k P} - D \frac{\partial \nu}{\partial x} = 0.Number densityExternal force per particleDynamic viscosityParticle radiusDiffusion coefficientExplain this equation

English

If, further, DD denotes the diffusion coefficient of the suspended substance and μ\mu the mass of a particle, then as a result of diffusion there pass through the unit of cross-section per unit time −D∂(μν)∂xGramm-D \frac{\partial (\mu \nu)}{\partial x} \quad \text{Gramm}Diffusion coefficientParticle massNumber densityExplain this equation or −D∂ν∂x-D \frac{\partial \nu}{\partial x}Diffusion coefficientNumber densityExplain this equation particles. Since dynamic equilibrium is to prevail, we must have: νK6πkP−D∂ν∂x=0.\frac{\nu K}{6 \pi k P} - D \frac{\partial \nu}{\partial x} = 0.Number densityExternal force per particleDynamic viscosityParticle radiusDiffusion coefficientExplain this equation

Deutsch

[pp. 555–556]Aus den beiden für das dynamische Gleichgewicht gefundenen Bedingungen (1) und (2) kann man den Diffusionskoeffizienten berechnen. Man erhält:D=RTN16πkP.D = \frac{R T}{N} \frac{1}{6 \pi k P}.Diffusion coefficientGas constantAbsolute temperatureAvogadro's numberDynamic viscosityParticle radiusExplain this equation Der Diffusionskoeffizient der suspendierten Substanz hängt also außer von universellen Konstanten und der absoluten Temperatur nur vom Reibungskoeffizienten der Flüssigkeit und von der Größe der suspendierten Teilchen ab.

English

From the two conditions (1) and (2) found for dynamic equilibrium, the diffusion coefficient can be calculated. One obtains: D=RTN16πkP.D = \frac{R T}{N} \frac{1}{6 \pi k P}.Diffusion coefficientGas constantAbsolute temperatureAvogadro's numberDynamic viscosityParticle radiusExplain this equation The diffusion coefficient of the suspended substance therefore depends, apart from universal constants and the absolute temperature, only on the coefficient of friction of the liquid and on the size of the suspended particles.

Deutsch

[p. 560]
Bern, Mai 1905.

English

Bern, May 1905.

Deutsch

[p. 560]
(Eingegangen 11. Mai 1905.)

English

(Received 11 May 1905.)

Fußnoten

Deutsch

  1. 1) Vgl. z. B. G. Kirchhoff, Vorlesungen über Mechanik, 26. Vorlesung § 4. ↩

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