Диффузия

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
Перейти к: навигация, поиск
Схема диффузии (осмос) через полупроницаемую мембрану

Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Наиболее известным примером диффузии является перемешивание газов. Например, аромат духов смешивается с кислородом и его можно почувствовать стоя вдали от человека, надушивсегося ими. На примере жидкостей — если в воду капнуть жидкий краситель на воде, то вода через некоторое время окрасится и примет равномерный цвет. На примере с твёрдым телом: если нагреть один конец стержня, то распространяется тепло от горячей части к холодной.

Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров).

Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени.

Диффузия это процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. В связи с этим скорость диффузии пропорциональна средней скорости молекул. У газов средняя скорость малых молекул больше, она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 ºC .

Если в смеси газов одна молекула в четыре раза тяжелее другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. Например, разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение делящегося под нейтронным облучением 235U от основной массы 238U). Т.к. такой способ разделения требует больших энергетических затрат, то были развиты более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур, где тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.

С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала $$ J $$~ \( - \left(\frac{\partial \mu}{\partial x}\right)_{p,T}\)

В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то выше приведённую формулу можно заменить на следующую: $$J = - D \frac{\partial C}{\partial x}$$

которая показывает, что плотность потока вещества J [\(\mathrm{cm^{-2}s^{-1}}\)] пропорциональна коэффициенту диффузии D [(\(\mathrm{cm^2s^{-1}}\))] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика (Адольф Фик — немецкий физиолог, установивший законы диффузии в 1855 г.). Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии): $$\frac{\partial C}{\partial t} = D \frac{\partial^2 C}{\partial x^2}$$

Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса.

Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккерa—Планка

Виды диффузии[править]

Распространение материи бывает:

  • Атомное распространение;
  • Броуновское движение, например единственной частицы в растворителе;
  • Коллективное распространение, распространение большого количества (возможно взаимодействующих) частиц;
  • Распространение вихря;
  • Выход газа через маленькие отверстия;
  • Электронное распространение, приводящее к электрическому току;
  • Облегченное распространение, происходящее, как дар, в некоторых организмах;
  • Газообразное распространение, используемое для разделения изотопа;
  • Выравнивание высокой температуры;
  • Распространение импульса, например, распространение гидродинамической скоростной области;
  • Осмос — распространение воды через мембрану ячейки;
  • Распространение фотона;[1][2]

См. также[править]

Ссылки[править]

  1. http://en.wikipedia.org/wiki/Diffusion
  2. http://www.scientific.ru/journal/physnews250201.html