Введение
Тепловое движение частиц жидкости или газа при температурах выше абсолютного нуля – спонтанное рассеяние массы. Молекулярная диффузия, часто называемая просто диффузией, представляет собой тепловое движение всех частиц (жидкости или газа) при температурах выше абсолютного нуля. Скорость этого движения является функцией температуры, вязкости жидкости и размера (массы) частиц. Диффузия объясняет направленный поток молекул из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. После выравнивания концентраций молекулы продолжают двигаться, но поскольку градиент концентрации отсутствует, процесс молекулярной диффузии прекращается и вместо этого определяется процессом самодиффузии, возникающим из случайного движения молекул. Результатом диффузии является постепенное смешивание вещества, приводящее к равномерному распределению молекул. Поскольку молекулы остаются в движении, но установлено равновесие, результат молекулярной диффузии называется "динамическим равновесием". В фазе с однородной температурой, при отсутствии внешних чистых сил, действующих на частицы, процесс диффузии в конечном итоге приводит к полному смешиванию. Рассмотрим две системы – S1 и S2, находящиеся при одинаковой температуре и способные обмениваться частицами. Если происходит изменение потенциальной энергии системы, например, μ1 > μ2 (где μ – химический потенциал), то происходит перенос энергии от S1 к S2, поскольку природа всегда стремится к более низкой энергии и максимальной энтропии. Молекулярная диффузия обычно описывается математически с использованием законов диффузии Фика.
spontaneous dispersion of mass
Molecular diffusion, often simply called diffusion, is the thermal motion of all (liquid or gas) particles at temperatures above absolute zero. The rate of this movement is a function of temperature, viscosity of the fluid and the size (mass) of the particles. Diffusion explains the net flux of molecules from a region of higher concentration to one of lower concentration. Once the concentrations are equal the molecules continue to move, but since there is no concentration gradient the process of molecular diffusion has ceased and is instead governed by the process of self diffusion, originating from the random motion of the molecules. The result of diffusion is a gradual mixing of material such that the distribution of molecules is uniform. Since the molecules are still in motion, but an equilibrium has been established, the result of molecular diffusion is called a "dynamic equilibrium". In a phase with uniform temperature, absent external net forces acting on the particles, the diffusion process will eventually result in complete mixing. Consider two systems; S1 and S2 at the same temperature and capable of exchanging particles. If there is a change in the potential energy of a system; for example μ1>μ2 (μ is Chemical potential) an energy flow will occur from S1 to S2, because nature always prefers low energy and maximum entropy. Molecular diffusion is typically described mathematically using Fick's laws of diffusion.
Значение
Диффузия является частью явлений переноса. Среди механизмов массового транспорта молекулярная диффузия известна как более медленный процесс.
Биология
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 основаны на диффузии, помимо объемных или активных процессов. Например, в альвеолах легких млекопитающих, благодаря разнице в парциальном давлении через альвеолярно-капиллярную мембрану, кислород диффундирует в кровь, а углекислый газ – выходит из нее. Легкие имеют большую площадь поверхности для облегчения этого процесса газообмена.
Система неравновесия
Поскольку химическая диффузия является процессом чистого переноса, система, в которой она происходит, не является равновесной (то есть она ещё не достигла состояния равновесия). Многие результаты классической термодинамики сложно применить к неравновесным системам. Однако, в некоторых случаях возникают так называемые квазистационарные состояния, когда процесс диффузии не изменяется во времени и к которым могут быть локально применимы классические результаты. Как следует из названия, это не истинное равновесие, поскольку система продолжает эволюционировать. Неравновесные жидкостные системы успешно моделируются флуктуационной гидродинамикой Ландау — Лифшица. В рамках этой теоретической модели диффузия обусловлена флуктуациями, масштаб которых варьируется от молекулярного до макроскопического. Химическая диффузия увеличивает энтропию системы, то есть диффузия — это спонтанный и необратимый процесс. Частицы могут распространяться посредством диффузии, но не будут самопроизвольно упорядочиваться (если не происходит изменений в системе, не образуются новые химические связи и отсутствуют внешние силы, действующие на частицы).
Концентрационно-зависимая "коллективная" диффузия
Коллективная диффузия – это диффузия большого числа частиц, чаще всего в растворителе. В отличие от броуновского движения, которое описывает диффузию отдельной частицы, при коллективной диффузии необходимо учитывать взаимодействия между частицами, если они не образуют идеальную смесь с растворителем (идеальные условия смеси соответствуют случаю, когда взаимодействия между растворителем и частицами аналогичны взаимодействиям между частицами и взаимодействиям между молекулами растворителя; в этом случае частицы не взаимодействуют друг с другом, находясь в растворителе). В случае идеальной смеси справедливо уравнение диффузии частиц, и коэффициент диффузии D, определяющий скорость диффузии в этом уравнении, не зависит от концентрации частиц. В остальных случаях возникающие взаимодействия между частицами в растворителе приводят к следующим эффектам: коэффициент диффузии D в уравнении диффузии частиц становится зависимым от концентрации. При притяжении между частицами коэффициент диффузии, как правило, уменьшается с ростом концентрации. При отталкивании между частицами коэффициент диффузии, как правило, увеличивается с ростом концентрации. В случае притяжения между частицами, при превышении определенного порогового значения концентрации, частицы проявляют тенденцию к объединению и образованию кластеров. Это эквивалентно химической реакции осаждения (и, если рассматриваемые диффундирующие частицы – это химические молекулы в растворе, то это и есть осаждение).
the diffusion coefficient D in the particle diffusion equation becomes dependent of concentration. For an attractive interaction between particles, the diffusion coefficient tends to decrease as concentration increases. For a repulsive interaction between particles, the diffusion coefficient tends to increase as concentration increases. In the case of an attractive interaction between particles, particles exhibit a tendency to coalesce and form clusters if their concentration lies above a certain threshold. This is equivalent to a precipitation chemical reaction (and if the considered diffusing particles are chemical molecules in solution, then it is a precipitation).