Кіріспе

Сұйық немесе газ бөлшектерінің абсолюттік нөлден жоғары температурадағы жылу қозғалысы – массаның спонтанды таралуы. Молекулалық диффузия, көбінесе жай ғана диффузия деп аталады, абсолюттік нөлден жоғары температурадағы барлық (сұйық немесе газ) бөлшектердің жылу қозғалысы болып табылады. Бұл қозғалыстың жылдамдығы температураға, сұйықтықтың тұтқырлығына және бөлшектердің мөлшеріне (массасына) байланысты. Диффузия молекулалардың жоғары концентрацияланған аймақтан төмен концентрацияланған аймаққа таза ағынын түсіндіреді. Концентрациялар теңескеннен кейін молекулалар қозғалысын жалғастырады, бірақ концентрация градиенті болмағандықтан молекулалық диффузия процесі тоқталып, оның орнына молекулалардың кездейсоқ қозғалысынан туындайтын өзіндік диффузия процесі басым болады. Диффузия нәтижесінде материал бірте-бірте араласып, молекулалардың біркелкі таралуына мүмкіндік береді. Молекулалар әлі де қозғалыста болып тұрса да, тепе-теңдік орнатылғандықтан, молекулалық диффузияның нәтижесі "динамикалық тепе-теңдік" деп аталады. Біркелкі температурадағы фазада, егер бөлшектерге сыртқы күш әсер етпесе, диффузия процесі ақырында толық араласуға әкеледі. Екі жүйені қарастырайық: S1 және S2, олардың температурасы бірдей және бөлшектерді алмастыруға қабілетті. Егер жүйенің потенциалдық энергиясы өшсе, мысалы μ1>μ2 (μ – химиялық потенциал), S1-ден S2-ге энергия ағыны жүреді, себебі табиғат әрқашан төмен энергияны және максималды энтропияны қалайды. Молекулалық диффузия әдетте Фиктің диффузия заңдары арқылы математикалық тұрғыдан сипатталады.

Маңыздылығы

Диффузия – көлік құбылыстарының бір бөлігі. Масса тасымалының механизмдері ішінде молекулалық диффузия ең баяу механизм ретінде танымал.

Биология

Жасуша биологиясында диффузия – жасушалар ішіндегі аминқышқылдары сияқты қажетті заттарды тасымалдаудың басты түрі. Еріткіштердің, мысалы судың, жартылай өткізгіш мембрана арқылы таралуы осмоз деп аталады. Зат алмасу және тыныс алу процестері көлемдік немесе белсенді процестермен қатар, диффузияға да тәуелді. Мысалы, сүтқоректілердің өкпе альвеолаларында альвеолалық-капиллярлық мембранадағы жартылай қысымдардың айырмашылығынан өтегі қанға өтеді, ал көмірқышқыл газы шығады. Өкпеде газ алмасу процесін жеңілдету үшін үлкен беттік аудан бар.

Тепе-теңдіксіз жүйе

Химиялық диффузия таза тасымалдау процесі болғандықтан, ол өтетін жүйе тепе-теңдік жүйесі емес (яғни ол әлі тоқтамаған). Классикалық термодинамиканың көптеген нәтижелерін тепе-теңдіксіз жүйелерге қолдану қиын. Дегенмен, кейде диффузия процесі уақыт өте келе өзгермейтін, ал классикалық нәтижелер жергілікті түрде қолданыла алатын, сонымен қатар квазитұрақты күйлер пайда болады. Аты айтқандай, бұл процесс нағыз тепе-теңдік емес, себебі жүйе әлі де өзгеріп дамуда. Тепе-теңдіксіз сұйық жүйелерді Ландау-Лифшицтің флуктуациялық гидродинамикасымен сәтті модельдеуге болады. Бұл теориялық аяқта диффузия молекулалық деңгейден макроскопиялық деңгейге дейінгі ауытқуларға байланысты. Химиялық диффузия жүйенің энтропиясын арттырады, яғни диффузия – спонтанды және қайтымсыз процесс. Бөлшектер диффузия арқылы таралуы мүмкін, бірақ олар өздігінен ретке келмейді (егер жүйеде өзгерістер болмаса, жаңа химиялық байланыстар пайда болмаса және бөлшекке сыртқы күштер әсер етпесе).

Концентрацияға тәуелді "жалпы" диффузия

Коллективті диффузия – көбінесе еріткіш ішінде жүретін, көптеген бөлшектердің диффузиясы. Браундық қозғалыстан айырмасы, яғни бір бөлшектің диффузиясынан, бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесулерді ескеру қажет, егер бөлшектер еріткішпен идеалды қоспа құрамаса (идеалды қоспа жағдайлары – еріткіш пен бөлшектер арасындағы, бөлшектер арасындағы және еріткіш молекулалары арасындағы өзара әрекеттесулер ұқсас болған жағдай; мұндай жағдайда бөлшектер еріткіш ішінде өзара әрекеттеспейді). Идеалды қоспа жағдайында бөлшектердің диффузия теңдеуі орындалады және бөлшектердің диффузия теңдеуіндегі диффузия коэффициенті D, диффузия жылдамдығы бөлшектердің концентрациясына тәуелсіз болады. Басқа жағдайларда еріткіштегі бөлшектердің өзара әрекеттесуі келесі әсерлерге алып келеді: бөлшектердің диффузия теңдеуіндегі диффузия коэффициенті D концентрацияға тәуелді болады. Бөлшектердің тартымды өзара әрекеттесуі болғанда, диффузия коэффициенті концентрацияның артуымен төмендеуге бейім. Бөлшектердің тебу өзара әрекеттесуі болғанда, диффузия коэффициенті концентрацияның артуымен өсуге бейім. Егер бөлшектердің өзара әрекеттесуі тартымды болса, олардың концентрациясы белгілі бір шектен жоғары болғанда, бөлшектер бірігіп, кластерлер құруға бейім болады. Бұл тұнба түзілуге тең (егер қарастырылып отырған диффузиялық бөлшектер ерітіндідегі химиялық молекулалар болса, онда бұл тұнба).