Диффузия

(от лат. Diflusio - распространение, растекание, рассеивание), перенос частиц разной природы, обусловленный хаотич. Тепловым движением молекул (атомов) в одно-или многокомпонентных газовых либо конденсир. Средах. Такой перенос осуществляется при наличии градиента концентрации частиц или при его отсутствии. В последнем случае процесс наз. Самодиффузией (см. Ниже). Различают Д. Коллоидных частиц (т. Наз. Броуновская Д.), в твердых телах, молекулярную, нейтронов, носителей заряда в полупроводниках и др. О переносе частиц в движущейся с определенной скоростью среде (конвективная Д.) см. Массообмен. Переноса процессы, о Д. Частиц в турбулентных потоках см. Турбулентная диффузия. Все указанные виды Д. Описываются одними и теми же феноменологич.

Соотношениями. Основные понятия. Главной характеристикой Д. Служит плотность диффузионного потока J - кол-во в-ва, переносимого в единицу времени через единицу площади пов-сти, перпендикулярной направлению переноса. Если в среде, где отсутствуют градиенты т-ры, давления, электрич. Потенциала и др., имеется градиент концентрации с( х, t), характеризующий ее изменение на единицу длины в направлении х(одномерный случай) в момент времени t, то в изотропной покоящейся среде J = -D( дс/ дх), (1) где D - коэффициент Д. (м 2/с). Знак "минус" указывает на направление потока от больших концентраций к меньшим. Пространственно-временное распределение концентрации. Ур-ния (1) и (2) наз. Первым и вторым законами Фика.

Трехмерная Д. [с ( х, у, z. T)] описывается ур-ниями. J = -D grad c (3) где J - вектор плотности диффузионного потока, grad - градиент поля концентрации. Перенос частиц в среде осуществляется как последовательность их случайных перемещений, причем абс. Величина и направление каждого из них не зависят от предыдущих. Диффузионное движение в среде каждой частицы обычно характеризуют среднеквадратичным смещением L2 от исходного положения за время t. Для трехмерного пространства справедливо первое соотношение Эйнштейна. L2 = GDt. Т. Обр., параметр Dхарактеризует эффективность воздействия среды на частицы. В случае Д. В многокомпонентных смесях в отсутствие градиентов давления и т-ры (изобарно-изотермич. Д.) для упрощения описания взаимного проникновения компонентов при наличии градиентов их концентраций вводят т.

Наз. Коэффициенты взаимной Д. Напр., при одномерной Д. В двухкомпонентной системе выражение для диффузионного потока одного из компонентов принимает вид. где c1 + с 2 =const, D12 = D21 - коэф. Взаимной Д. Обоих компонентов. В результате неравномерного нагревания среды под влиянием градиента т-ры происходит перенос компонентов газовых или жидких смесей - термодиффузия (в р-рах - эффект Соре). Если между отдельными частями системы поддерживается постоянная разность т-р, то вследствие термодиффузии в объеме смеси появляются градиенты концентрации компонентов, что инициирует обычную Д. Последняя в стационарном состоянии (при отсутствии потока в-ва) уравновешивает термодиффузию, и в системе возникает разность концентраций компонентов.

Это влияние лежит в основе одного из методов разделения изотопов, а также термодиффузионного разделения нефтяных фракций. При внеш. Воздействии на систему градиента давления или гравитац. Поля возникает бародиффузия. Примеры. Диффузионное осаждение мелких взвешенных частиц при столкновении их с молекулами газа (см. Пылеулавливание). Баромембранные процессы - обратный осмос, микро- и ультрафильтрация (см. Мембранные процессы разделения, Осмос). Действие на систему внеш. Электрич. Поля вызывает направленный перенос заряженных частиц - электродиффузию. Примеры. Электромембранные процессы, напр., электродиализ - разделение под действием электрич. Тока ионизированных соед. Вследствие избират. Переноса ионов через ионообменные мембраны.

Д. Носителей заряда - перемещение электронов проводимости и дырок, обусловленное неоднородностями их концентрации в полупроводниках. Математически законы Фика аналогичны ур-ниям теплопроводности Фурье. В основе такой аналогии лежат общие закономерности необратимых процессов перераспределения интенсивных параметров состояния (концентрации, т-ры, давления и др.) между разл. Частями к.-л. Системы при стремлении ее к термодинамич. Равновесию. При малых отклонениях системы от него эти закономерности описываются линейными соотношениями между потоками физ. Величин и термодинамич. Силами, т. Е. Градиентами параметров, вызывающими указанные отклонения. В частности, диффузионный поток частиц данного типа, помимо градиентов концентраций частиц каждого типа, может при соответствующих условиях в большей степени определяться градиентами др.

Интенсивных параметров и внеш. Силами. В общем виде связь между потоками и силами описывается феноменологич. Ур-ниями термодинамики необратимых процессов. Напр., в случае электронейтральной бинарной газовой системы при наличии градиента т-ры дТ/дх, градиента давления др/дх и градиента электрич. Потенциала дj/ дx выражение для диффузионного потока частиц с зарядом .