Дифузія

Схематичне зображення дифузії молекул крізь клітинну мембрану

Дифу́зія — процес випадкового невпорядкованого переміщення частинок під впливом хаотичних сил, зумовлених тепловим рухом і взаємодією з іншими частками.

Дифузія — перенесення речовини, зумовлене вирівнюванням її концентрації (точніше, хімічного потенціалу) у спочатку неоднорідній системі.

Загальна інформація

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

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

Випадкові блукання

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

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.

Див. також

• Закон Фіка

Література

• Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3.

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