Диффузия

Схематическое изображение диффузии молекул через клеточную мембрану

Диффузия - процесс случайного неупорядоченного перемещения частиц под действием хаотических сил, обусловленных тепловым движением и взаимодействием с другими частицами.

Диффузия - перенос вещества, обусловлено выравниванием ее концентрации (точнее, химического потенциала) в первое неоднородной системе.


1. Общая информация

Диффузия - одна из стадий многочисленных технологических процессов ( адсорбции, сушки, экстрагирования, брикетирования с связывающими т.п.). Диффузия происходит в газах, жидкостях и твердых телах. Механизм диффузии в этих веществах существенно различен. Диффузия происходящее вследствие теплового движения атомов, молекул, - молекулярная диффузия. Диффундировать могут как частицы посторонних веществ (примесей), неравномерно распределенных в среде, так и частицы самого вещества среды. В последнем случае процесс называется самодиффузии. Термодиффузия - это диффузия под действием градиента температуры в объеме тела, бародифузия - под действием градиента давления или гравитационного поля. Перенос заряженных частиц под действием внешнего электрического поля - електродифузия. В движущейся среде может возникать конвекционная диффузия, при вихревом движении газа или жидкости - турбулентная диффузия.

Следствием диффузии является перемещение частиц из областей, где их концентрация высока, в области, где их концентрация низка, т.е. выравнивание концентрации частиц в термодинамической системе, установления равновесия по составу.

Диффузия очень распространенное явление, которое играет большую роль в функционировании живых организмов. В легких молекулы кислорода диффундируют в кровеносные сосуды, благодаря процессам диффузии происходит обмен веществ в клетках.

Диффузия широко используются в технике. Например, работа биполярного транзистора основана на диффузии неосновных носителей заряда через pn переход. Выборочное переноса определенных компонентов в поры вещества - инфильтрационная диффузия. Диффузия имеет особое значение в шахтах, где она способствует равномерному распределению вредных газов в атмосфере горн. выработок, предупреждению их опасных скоплений. Существенное значение имеет диффузия в технологических процессах при применении реагентов.


2. Степень диффузии

Степени диффузии является масса \ Delta M вещества, продифундувало за единицу времени через единицу площади этажа контактных веществ. Величина \ Delta M тем больше, чем больше изменение концентрации на единицу длины вдоль направления, в котором проходит диффузия. [1].

3. Случайные блуждания

Для частного характерна пропорциональность среднего смещения квадратному корню из времени.

\ Langle (x-x_0) ^ 2 + (y-y_0) ^ 2 + (z-z_0) ^ 2 \ rangle \ propto t ,

где x , y , z - Координаты часкы в момент времени t, x_0 , y_0 , z_0 - Ее коорднаты в начальный момент времени. Это спидввидношення позволяет ввести количественную характеристику диффузии - коэффициент диффузии D:

D = \ frac {1} {6t} \ langle (x-x_0) ^ 2 + (y-y_0) ^ 2 + (z-z_0) ^ 2 \ rangle .

4. Уравнения диффузии

Для описания процесса выравнивания концентрации частиц в термодинамической системе используется уравнения диффузии. В общем случае оно является следствием уравнение непрерывности, которое определяет закон сохранения количества частиц.

\ Frac {\ partial n} {\ partial t} + \ text {div} \, \ mathbf {j} = 0 ,

где n - концентрация частиц, \ Mathbf {j} - Их поток.

Если предположить, что поток частиц пропорционален градиенту концентрации с коэффициентом пропорциональности D,

\ Mathbf {j} = - D \ nabla n .

то получим феноменологическое уравнение диффузии

\ Frac {\ partial n} {\ partial t} = D \ Delta n ,

где \ Delta = \ text {div} \, \ nabla - оператор Лапласа.

В общем случае пространственно неоднородных систем частиц, которые взаимодействуют между собой уравнение диффузии записывается в виде:

\ Frac {\ partial n} {\ partial t} = \ text {div} \, (D n \ nabla \ mu) ,

где μ - химический потенциал. Это уравнение выражает тот факт, что условием равновесия по составу является равенство химического потенциала во всей термодинамической системе, а выравнивание концентрации - это лишь частный случай для однородных систем, близких к идеального газа.


Примечания

  1. Яворский Б. М., Селезнев Ю. А. Справочное реководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования. - 4-е изд., Испр. - М.: Наука. - Гл. ред. физ-мат. лит., 1989 - 576 с. - ISBN 5-02-014031-7

См.. также

Литература


Физика Это незавершенная статья по физики.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.