Диффузия

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

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;

См. также

• Диффузия в кристалле
• Диффузионное равновесие
• Вращательная диффузия
• Осмос
• Культурная диффузия

Ссылки

• Диффузия примесных атомов на поверхности монокристалла
• Диффузия. Статья из Химической энциклопедии