Дифузія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Схематичне зображення дифузії молекул крізь клітинну мембрану

Дифу́зія (лат. diffusio — поширення, розтікання, розсіювання, взаємодія) — процес взаємного проникнення молекул або атомів однієї речовини поміж молекули або атоми іншої, що зазвичай приводить до вирівнювання їхніх концентрацій по всьому займаному об`ємі.

У деяких ситуаціях одна з речовин уже має вирівняну концентрацію, і говорять про дифузію одної речовини в іншій. При цьому зазвичай перенесення речовини відбувається з області з високою концентрацією в область з низькою концентрацією (вздовж вектора градієнта концентрації).

Прикладом дифузії може служити перемішування газів (наприклад, поширення запахів) або рідин (якщо у воду капнути чорнила, то рідина через деякий час стане рівномірно пофарбованою). Інший приклад пов'язаний з твердим тілом: атоми дотичних металів перемішуються на кордоні дотику. Важливу роль дифузія частинок грає у фізиці плазми.

Зазвичай під дифузією розуміють процеси, що супроводжуються переносом речовини, однак іноді дифузійними називають також інші процеси перенесення: теплопровідність, в'язке тертя тощо.

Швидкість протікання дифузії залежить від багатьох факторів. Так, у разі металевого стрижня дифузія тепла проходить дуже швидко. Якщо ж стрижень виготовлений з синтетичного матеріалу, дифузія тепла протікає повільно. Дифузія молекул в загальному випадку протікає ще повільніше. Наприклад, якщо шматочок цукру опустити на дно склянки з водою, і воду не перемішувати, то пройде кілька тижнів, перш ніж розчин стане однорідним. Ще повільніше відбувається дифузія однієї твердої речовини в іншу. Наприклад, якщо мідь покрити золотом, то буде відбуватися дифузія золота в мідь, але при нормальних умовах (кімнатна температура і атмосферний тиск) золотовмісний шар досягне товщини в кілька мікронів тільки через кілька тисяч років. Інший приклад: на золотий злиток був покладений злиток свинцю, і під вантажем за п'ять років свинцевий злиток проник в золотий злиток на сантиметр.

Кількісно опис процесів дифузії було дано німецьким фізіологом А. Фіком в 1855 р.

Загальна інформація[ред.ред. код]

Дифузія одна із ступенів численних технологічних процесів (адсорбції, сушки, екстрагування, брикетування зі зв'язуючими тощо). Дифузія відбувається в газах, рідинах і твердих тілах. Механізм дифузії в цих речовинах істотно різний. Дифузія що відбувається внаслідок теплового руху атомів, молекул, — молекулярна дифузія. Дифундувати можуть як частинки сторонніх речовин (домішок), нерівномірно розподілених у середовищі, так і частинки самої речовини середовища. У останньому випадку процес називається самодифузією. Термодифузія — це дифузія під дією градієнта температури в об'ємі тіла, бародифузія — під дією градієнта тиску або гравітаційного поля. Перенесення заряджених частинок під дією зовнішнього електричного поля — електродифузія. У рухомому середовищі може виникати конвекційна дифузія, при вихровому русі газу або рідини — турбулентна дифузія.

Наслідком дифузії є переміщення часток із областей, де їхня концентрація висока, в області, де їхня концентрація низька, тобто вирівнювання концентрації часток у термодинамічній системі, встановлення рівноваги за складом.

Дифузія дуже розповсюджене явище, яке відіграє велику роль у функціонуванні живих організмів. У легенях молекули кисню дифундують у кровоносні судини, завдяки процесам дифузії відбувається обмін речовин у клітинах.

Дифузія широко використовуються у техніці. Наприклад, робота біполярного транзистора основана на дифузії неосновних носіїв заряду через p-n перехід. Вибіркове перенесення певних компонентів у пори речовини — інфільтраційна дифузія. Дифузія має особливе значення в шахтах, де вона сприяє рівномірному розподілу шкідливих газів в атмосфері гірн. виробок, попередженню їх небезпечних скупчень. Суттєве значення відіграє дифузія в технологічних процесах при застосуванні реагентів.

Міра дифузії[ред.ред. код]

Мірою дифузії є маса \Delta M речовини, що продифундувала за одиницю часу через одиницю площі поверхні контактних речовин. Величина \Delta M тим більша, чим більша зміна концентрації на одиницю довжини вздовж напрямку, у якому проходить дифузія.[1].

Випадкові блукання[ред.ред. код]

Для частки характерна пропорційність середнього зміщення квадратному кореню з часу.

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

де x, y, z — координати часки в момент часу t, x_0, y_0, z_0 — її коорднати в початковий момент часу. Це спідввідношення дозволяє ввести кількісну характеристику дифузії — коефіцієнт дифузії D:

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

Рівняння дифузії[ред.ред. код]

Для опису процесу вирівнювання концентрації часток в термодинамічній системі використовується рівняння дифузії. В загальному випадку воно є наслідком рівняння неперервності, яке визначає закон збереження кількості часток.

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

де n — концентрація часток,  \mathbf{j}  — їхній потік.

Якщо припустити, що потік часток пропорційний градієнту концентрації з коефіцієнтом пропорційності D,

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

то отримаємо феноменологічне рівняння дифузії

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

де  \Delta = \text{div}\, \nabla  — оператор Лапласа.

В загальному випадку просторово неоднорідних систем часток, які взаємодіють між собою рівняння дифузії записується у вигляді:

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

де μ — хімічний потенціал. Це рівняння виражає той факт, що умовою рівноваги за складом є рівність хімічного потенціалу у всій термодинамічній системі, а вирівнювання концентрації — це лише частковий випадок для однорідних систем, близьких до ідеального газу.

Примітки[ред.ред. код]

  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(рос.)

Див. також[ред.ред. код]

Література[ред.ред. код]

Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.