Молекулярная диффузия, которую часто называют просто диффузией, - это тепловое движение всех (жидких или газовых) частиц при температурах выше абсолютного нуля. Скорость этого движения зависит от температуры, вязкости жидкости и размера (массы) частиц. Диффузия объясняет чистый поток молекул из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Как только концентрации становятся равными, молекулы продолжают движение, но, поскольку градиента концентрации нет, процесс молекулярной диффузии прекращается и вместо этого управляется процессом самодиффузии, происходящим из случайного движения молекул. Результатом диффузии является постепенное перемешивание материала, при котором молекулы распределяются равномерно. Поскольку молекулы все еще находятся в движении, но равновесие установлено, результат молекулярной диффузии называется «динамическим равновесием». В фазе с однородной температурой и отсутствием внешних результирующих сил, действующих на частицы, процесс диффузии в конечном итоге приведет к полному перемешиванию.
Рассмотрим две системы; S 1 и S 2 имеют одинаковую температуру и способны обмениваться частицами. Если есть изменение потенциальной энергии системы; например, μ 1 gt; μ 2 (μ - химический потенциал ) поток энергии будет происходить от S 1 к S 2, потому что природа всегда предпочитает низкую энергию и максимальную энтропию.
Молекулярная диффузия обычно описывается математически с помощью законов диффузии Фика.
Диффузия имеет фундаментальное значение во многих дисциплинах физики, химии и биологии. Некоторые примеры применения диффузии:
Диффузия - это часть явления переноса. Из механизмов массопереноса молекулярная диффузия известна как более медленная.
В клеточной биологии диффузия является основной формой транспорта необходимых материалов, таких как аминокислоты, внутри клеток. Диффузия растворителей, таких как вода, через полупроницаемую мембрану классифицируется как осмос.
Метаболизм и дыхание частично зависят от диффузии в дополнение к объемным или активным процессам. Так, например, в альвеолах из млекопитающих легких, из - за различия в парциальных давлениях через альвеолярно-капиллярную мембрану, кислород диффундирует в крови и двуокись углерода диффундирует из. Легкие имеют большую площадь поверхности, что способствует процессу газообмена.
Принципиально различают два типа диффузии:
Коэффициенты диффузии для этих двух типов диффузии обычно различаются, поскольку коэффициент диффузии для химической диффузии является бинарным и включает эффекты, обусловленные корреляцией движения различных диффундирующих частиц.
Поскольку химическая диффузия - это чистый процесс переноса, система, в которой она происходит, не является равновесной системой (т.е. она еще не находится в состоянии покоя). Многие результаты классической термодинамики нелегко применить к неравновесным системам. Однако иногда встречаются так называемые квазистационарные состояния, в которых процесс диффузии не изменяется во времени, и в которых классические результаты могут применяться локально. Как следует из названия, этот процесс не является истинным равновесием, поскольку система все еще развивается.
Неравновесные жидкостные системы можно успешно моделировать с помощью флуктуирующей гидродинамики Ландау-Лифшица. В этой теоретической схеме диффузия обусловлена флуктуациями, размеры которых варьируются от молекулярного до макроскопического масштаба.
Химическая диффузия увеличивает энтропию системы, т.е. диффузия - это спонтанный и необратимый процесс. Частицы могут распространяться посредством диффузии, но не будут самопроизвольно переупорядочивать себя (при отсутствии изменений в системе, при условии отсутствия новых химических связей и при отсутствии внешних сил, действующих на частицу).
Коллективная диффузия - это диффузия большого количества частиц, чаще всего в растворителе.
В отличие от броуновского движения, которое представляет собой диффузию отдельной частицы, взаимодействия между частицами, возможно, придется учитывать, если только частицы не образуют идеальную смесь со своим растворителем (условия идеальной смеси соответствуют случаю, когда взаимодействия между растворителем и частицами идентичны взаимодействиям между частицами и взаимодействиям между молекулами растворителя; в этом случае частицы не взаимодействуют внутри растворителя).
В случае идеальной смеси уравнение диффузии частиц выполняется, и коэффициент диффузии D скорость диффузии в уравнении диффузии частиц не зависит от концентрации частиц. В других случаях возникающие взаимодействия между частицами в растворителе будут учитывать следующие эффекты:
Транспортировка материала в застойной жидкости или поперек линий тока жидкости в ламинарном потоке происходит за счет молекулярной диффузии. Можно предусмотреть два смежных отсека, разделенных перегородкой, содержащих чистые газы A или B. Произойдет случайное движение всех молекул, так что по прошествии определенного периода молекулы оказываются удаленными от своих исходных положений. Если перегородка удалена, некоторые молекулы A перемещаются в сторону области, занятой B, их количество зависит от количества молекул в рассматриваемой области. Одновременно с этим молекулы B диффундируют к режимам, ранее использовавшимся чистым A. Наконец, происходит полное перемешивание. До этого момента происходит постепенное изменение концентрации A вдоль оси, обозначенной x, которая присоединяется к исходным отсекам. Это изменение математически выражается как -dC A / dx, где C A - концентрация A. Отрицательный знак возникает, потому что концентрация A уменьшается с увеличением расстояния x. Точно так же изменение концентрации газа B составляет -dC B / dx. Скорость диффузии A, N A, зависит от градиента концентрации и средней скорости, с которой молекулы A движутся в направлении x. Эта связь выражается законом Фика.
где D - коэффициент диффузии от A до B, пропорциональный средней молекулярной скорости и, следовательно, зависящий от температуры и давления газов. Скорость диффузии N A обычно выражается как количество молей, диффундирующих через единицу площади за единицу времени. Как и в случае с основным уравнением теплопередачи, это указывает на то, что величина силы прямо пропорциональна движущей силе, которая является градиентом концентрации.
Это основное уравнение применимо к ряду ситуаций. Ограничивая обсуждение исключительно стационарными условиями, в которых ни dC A / dx, ни dC B / dx не меняются со временем, сначала рассматривается эквимолекулярная контрдиффузия.
Если объемный поток не возникает в элементе длиной dx, скорости диффузии двух идеальных газов (с одинаковым молярным объемом) A и B должны быть равными и противоположными, то есть.
Парциальное давление A изменяется на dP A на расстоянии dx. Аналогичным образом, парциальное давление B изменяется дР B. Поскольку нет никакой разницы в общем давлении через элемент (нет объемного потока), мы имеем
Для идеального газа парциальное давление связано с молярной концентрацией соотношением
где п есть число молей газа А в объеме V. Поскольку молярная концентрация C A равна n A / V, следовательно,
Следовательно, для газа А
где D AB - коэффициент диффузии A в B. Аналогично,
Учитывая, что dP A / dx = -dP B / dx, это доказывает, что D AB = D BA = D. Если парциальное давление A в точке x 1 равно P A 1, а x 2 равно P A 2, интегрирование приведенного выше уравнения,
Аналогичное уравнение можно вывести для встречной диффузии газа B.