Диффузное что такое: диффузный — это… Что такое диффузный? – Что значит диффузные

Содержание

Диффузия — Википедия

схема осмоса через полупроницаемую мембрану

Диффу́зия (лат. diffusio «распространение, растекание, рассеивание; взаимодействие») — процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого вещества, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму[1]. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выровненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (противоположно направлению вектора градиента концентрации).

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы.

Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит с огромной скоростью. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет. Другой пример: на золотой слиток был положен слиток свинца, и под грузом за пять лет свинцовый слиток проник в золотой слиток на сантиметр.

Первое количественное описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком в 1855 году.

Все виды диффузии подчиняются одним законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню продолжительности диффузии.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул[2]. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.

Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение

235U от основной массы 238U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.

Уравнения Фика[править | править код]

С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал μ{\displaystyle \mu }, обусловливающий поддержание потока вещества. При этом поток частиц вещества пропорционален градиенту потенциала

J{\displaystyle J} ~ −C(∂μ∂x)p,T.{\displaystyle -C\left({\frac {\partial \mu }{\partial x}}\right)_{p,T}.}

Используя разложение химического потенциала по степеням концентрации, справедливое для газов и слабых растворов,

μ{\displaystyle \mu } = kBTln⁡C+ϕ0(T)+ϕ1(T)C+{\displaystyle k_{B}T\ln C+\phi _{0}(T)+{\phi _{1}(T)}{C}+}…

можно показать, что ведущий член в выражении для потока частиц

J=−D∂C∂x,{\displaystyle J=-D{\frac {\partial C}{\partial x}},}

которая показывает, что плотность потока вещества J{\displaystyle J} (измеренное, например, в моль·см-2с-1) пропорциональна коэффициенту диффузии D{\displaystyle D} [см2·с-1] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временно́е изменения концентрации (уравнение диффузии):

∂C∂t=∂∂xD∂C∂x.{\displaystyle {\frac {\partial C}{\partial t}}={\partial \over \partial x}D{\frac {\partial C}{\partial x}}.}

Коэффициент диффузии D{\displaystyle D} зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой соотношение Эйнштейна.

Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера — Планка. Процессы диффузии имеют большое значение в природе:

  • питание, дыхание животных и растений;
  • проникновение кислорода из крови в ткани человека.
Геометрическое описание уравнения Фика[править | править код]

Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения концентрации во времени, а в правой части уравнения — вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение концентрации, в частности, выпуклость функции распределения температуры, проецируемую на ось x{\displaystyle x}.

Уравнения Онзагера для многокомпонентной диффузии и термодиффузии[править | править код]

Законы Фика применимы для случая малых значений концентраций n{\displaystyle n} и градиентов концентрации −∇n{\displaystyle -\nabla n}.

В 1931 году Ларс Онзагер[3] предложил модель для описания процессов переноса многокомпонентной среды в случае линейных термодинамических неравновесных систем:

Ji=∑jLijXj.{\displaystyle \mathbf {J} _{i}=\sum _{j}L_{ij}X_{j}\,.}

Здесь Ji{\displaystyle \mathbf {J} _{i}} — поток i-й компоненты и Xj{\displaystyle X_{j}} — термодинамическая сила, Lij{\displaystyle L_{ij}} — матрица кинетических коэффициентов.

Термодинамическая сила по Онзагеру определяется как градиент от частной производной энтропии (термин «сила» Онзагер брал в кавычки, поскольку здесь подразумевается «движущая сила»):

Xi=∂s(n)∂ni,{\displaystyle X_{i}={\frac {\partial s(n)}{\partial n_{i}}},}

где ni{\displaystyle n_{i}} — «термодинамические координаты». Для тепло- и массопереноса мы можем положить n0=u{\displaystyle n_{0}=u} (плотность внутренней энергии) и ni{\displaystyle n_{i}} это концентрация i{\displaystyle i} -ой компоненты. Соответствующее значение движущих сил в таком случае выражаются следующим образом:

X0=grad1T ,Xi=−gradμiT(i>0),{\displaystyle X_{0}={\rm {grad}}{\frac {1}{T}}\ ,\;\;\;X_{i}=-{\rm {grad}}{\frac {\mu _{i}}{T}}\;(i>0),} поскольку ds=1Tdu−∑i≥1μiTdni.{\displaystyle {\rm {d}}s={\frac {1}{T}}{\rm {d}}u-\sum _{i\geq 1}{\frac {\mu _{i}}{T}}{\rm {d}}n_{i}.}

Здесь T{\displaystyle T} — температура и μi{\displaystyle \mu _{i}} — химический потенциал i-й компоненты. Следует отметить, что данное рассмотрение приводится без учета движения среды, поэтому мы здесь пренебрегаем членом с производной давления. Такое рассмотрение возможно в случае малых концентраций примесей с малыми градиентами.

В линейном приближении вблизи точки равновесия мы можем выразить термодинамические силы следующим образом:

Xi=∑k≥0∂2s(n)∂ni∂nk|n=n∗gradnk ,{\displaystyle X_{i}=\sum _{k\geq 0}\left.{\frac {\partial ^{2}s(n)}{\partial n_{i}\partial n_{k}}}\right|_{n=n^{*}}{\rm {grad}}\,n_{k}\ ,}

Матрица кинетических коэффициентов Lij{\displaystyle L_{ij}} должна быть симметричной (Теорема Онзагера) и положительно определенной (в случае роста энтропии).

Транспортное уравнение в таком случае может быть записано в следующем виде:

∂ni∂t=−divJi=−∑j≥0LijdivXj=∑k≥0[−∑j≥0Lij∂2s(n)∂nj∂nk|n=n∗]Δnk .{\displaystyle {\frac {\partial n_{i}}{\partial t}}=-{\rm {div}}\mathbf {J} _{i}=-\sum _{j\geq 0}L_{ij}{\rm {div}}X_{j}=\sum _{k\geq 0}\left[-\sum _{j\geq 0}L_{ij}\left.{\frac {\partial ^{2}s(n)}{\partial n_{j}\partial n_{k}}}\right|_{n=n^{*}}\right]\Delta n_{k}\ .}

Здесь индексы i, j, k=0,1,2…{\displaystyle i,~j,~k=0,1,2…} относятся к внутренней энергии (0) и разным компонентам. Выражение в квадратных скобках является матрицей Dik{\displaystyle D_{ik}} диффузионных(i, k>0{\displaystyle i,~k>0}), термодиффузионных (i>0{\displaystyle i>0}, k=0∨k>0, i=0{\displaystyle k=0\lor k>0,~i=0}) и температуропроводных (i=k=0{\displaystyle i=k=0}) коэффициентов.

В изотермическом случае (T=const{\displaystyle T=const}) и термодинамический потенциал выражается через свободную энергию (или свободную энтропию (англ.)русск.). Термодинамическая движущая сила для изотермичной диффузии определяется отрицательным градиентом химического потенциала −(1/T)∇μj{\displaystyle -(1/T)\nabla \mu _{j}}, и матрица диффузионных коэффициентов выглядит следующим образом:

Dik=1T∑j≥1Lij∂μj(n,T)∂nk|n=n∗{\displaystyle D_{ik}={\frac {1}{T}}\sum _{j\geq 1}L_{ij}\left.{\frac {\partial \mu _{j}(n,T)}{\partial n_{k}}}\right|_{n=n^{*}}}

(i, k>0{\displaystyle i,~k>0}).

Существует произвол в выборе определения для термодинамических сил и кинетических коэффициентов, поскольку мы не можем измерить их отдельно, а только их комбинацию ∑jLijXj{\displaystyle \sum _{j}L_{ij}X_{j}}. Например, в оригинальной работе Онзагер[3] использовал дополнительный множитель (T{\displaystyle T}), тогда как в курсе теоретической физики Ландау и Лифшица[4] этот множитель отсутствует и сила имеет противоположный знак. Это различие можно учесть в формулах для вывода коэффициентов так, что они не повлияют на результаты измерения.

Недиагональная диффузия должна быть нелинейной[править | править код]

Формализм линейной необратимой термодинамики (Онзагера) генерирует систему линейных уравнений диффузии в виде

∂ni∂t=∑jDijΔcj.{\displaystyle {\frac {\partial n_{i}}{\partial t}}=\sum _{j}D_{ij}\Delta c_{j}\,.}

Если матрица коэффициентов диффузии диагональна, то эта система уравнений является лишь системой независимых уравнений Фика для различных компонент. Предположим, что диффузия не является диагональной, например, D12≠0{\displaystyle D_{12}\neq 0}, и рассмотрим состояние, в котором c2=…=cn=0{\displaystyle c_{2}=\ldots =c_{n}=0}. В этом состоянии ∂n2/∂t=D12Δn1{\displaystyle \partial n_{2}/\partial t=D_{12}\Delta n_{1}}. Если в некоторой точке D12Δn1(x)<0{\displaystyle D_{12}\Delta n_{1}(x)<0} то n2(x){\displaystyle n_{2}(x)} в течение короткого времени становится отрицательным в этой точке. Поэтому линейная недиагональная диффузии не сохраняет положительность концентраций. Недиагональные уравнения многокомпонентной диффузии должны быть нелинейными[5].

Диффузия в пористых средах[править | править код]

  1. ↑ Б. С. Бокшейн. Атомы блуждают по кристаллу. С. 9—11
  2. ↑ J. Philibert (2005). One and a half century of diffusion: Fick, Einstein, before and beyond. Архивная копия от 13 декабря 2013 на Wayback Machine Diffusion Fundamentals, 2, 1.1-1.10.
  3. 1 2 Onsager L. Reciprocal Relations in Irreversible Processes. I (англ.) // Physical Review : journal. — 1931. — Vol. 37, no. 4. — P. 405—426. — DOI:10.1103/PhysRev.37.405. — Bibcode: 1931PhRv…37..405O.
  4. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — Издание 5-е. — М.: Физматлит, 2005. — 616 с. — («Теоретическая физика», том V). — ISBN 5-9221-0054-8.
  5. A.N. Gorban, H.P. Sargsyan and H.A. Wahab. Quasichemical Models of Multicomponent Nonlinear Diffusion (англ.) // Mathematical Modelling of Natural Phenomena : journal. — 2011. — Vol. 6, no. 5. — P. 184—262. — DOI:10.1051/mmnp/20116509.
  • Бокштейн Б. С. Атомы блуждают по кристаллу. — М.: Наука, 1984. — 208 с. — (Библиотечка «Квант». Вып. 28). — 150 000 экз.

это что такое? :: SYL.ru

В школьной программе в курсе физики (приблизительно в седьмом классе) школьники узнают, что диффузия — это процесс, который представляет собой взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вещества, в результате чего происходит выравнивание концентраций во всем занимаемом объеме. Это достаточно сложное для понимания определение. Чтобы разобраться, что такое простая диффузия, закон диффузии, ее уравнение, необходимо подробно изучить материалы по этим вопросам. Однако если человеку достаточно общего представления, то приведенные ниже данные помогут получить элементарные знания.

Физическое явление — что это

В связи с тем, что многие люди путают или же вовсе не знают, что такое физическое явление и чем оно отличается от химического, а также к какому виду явлений относится диффузия, необходимо разобраться, что же такое физическое явление. Итак, как всем известно, физика является самостоятельной наукой, относящейся к области естествознания, которая занимается изучением общих природных законов о структуре и движении материи, а также изучает саму материю. Соответственно, физическое явление — это такое явление, в результате которого не образуется новых веществ, а лишь происходит изменение строения вещества. Отличие физического явления от химического заключается как раз в том, что в результате не получается новых веществ. Таким образом, диффузия — это физическое явление.

диффузия в жидкостях

Определение термина диффузия

Как известно, формулировок того или иного понятия может быть много, однако общий смысл не должен изменяться. И явление диффузии не является исключением. Обобщенное определение имеет следующий вид: диффузия — это физическое явление, которое представляет собой взаимное проникновение частиц (молекул, атомов) двух и более веществ до равномерного распределения по всему занимаемому этими веществами объему. В результате диффузии не образуется новых веществ, поэтому она и является именно физическим явлением. Простой называют диффузию, в результате которой происходит перемещение частиц из области наибольшей концентрации в область меньшей концентрацией, которое обусловлено тепловым (хаотичным, броуновским) движением частиц. Иными словами, диффузия представляет собой процесс перемешивания частиц разных веществ, причем частицы при этом распределяются равномерно по всему объему. Это очень упрощенное определение, зато наиболее понятное.

закрытые банки

Виды диффузии

Диффузию можно зафиксировать как при наблюдении за газообразными и жидкими веществами, так и за твердыми. Поэтому она включает несколько видов:

  • Квантовая диффузия — это процесс диффузии частиц или точечных дефектов (локальных нарушений кристаллической решетки вещества), который осуществляется в твердых телах. Локальные нарушения — это нарушение в определенной точке кристаллической решетки.
наглядная диффузия
  • Коллоидная — диффузия, происходящая во всем объеме коллоидной системы. Коллоидная система представляет собой среду, в которой распределены частицы, пузырьки, капли другой, отличающейся по агрегатному состоянию и составу от первой, среды. Такие системы, а также протекающие в них процессы, подробно изучаются в курсе коллоидной химии.
  • Конвективная — перенос микрочастиц одного вещества макрочастицами среды. Особый раздел физики, называемый гидродинамикой, занимается изучением движения сплошных сред. Оттуда можно почерпнуть знания о состояниях потока.
  • Турбулентная диффузия — это процесс переноса одного вещества в другом, обусловленный турбулентным движением второго вещества (характерна для газов и жидкостей).

Подтверждается высказывание, что диффузия может протекать как в газах и жидкостях, так и в твердых телах.

Что такое закон Фика?

Немецким ученым, физиком Фиком, был выведен закон, показывающий зависимость плотности потока частиц через единичную площадку от изменения концентрации вещества на единицу длины. Этот закон и является законом диффузии. Закон можно сформулировать следующим образом: поток частиц, который направлен по оси, пропорционален производной от числа частиц по переменной, откладываемой вдоль той оси, относительно которой определяется направление потока частиц. Иными словами, движущийся в направлении оси поток частиц пропорционален производной от числа частиц по переменной, которая откладывается вдоль той же оси, что и поток. Закон Фика позволяет описать процесс переноса вещества во времени и пространстве.

Адольф Фик

Уравнение диффузии

Когда в веществе присутствуют потоки, происходит перераспределение самого вещества в пространстве. В связи с этим существует несколько уравнений, которые описывают этот процесс перераспределения с макроскопической точки зрения. Уравнение диффузии является дифференциальным. Оно вытекает из общего уравнения переноса вещества, которое также называют уравнением непрерывности. При наличии диффузии используется закон Фика, который описан выше. Уравнение имеет следующий вид:

dn/dt=(d/dx)*(D*(dn/dx)+q.

Диффузионные методы

наглядная диффузия

Метод диффузии, точнее метод ее осуществления в твердых материалах, широко используется в последнее время. Это связано с преимуществами метода, одним из которых является простота используемого оборудования и самого процесса. Сущность метода диффузии из твердых источников заключается в нанесении легированных одним или несколькими элементами пленок на полупроводники. Существует еще несколько методов осуществления диффузии, помимо метода твердых источников:

  • в замкнутом объеме (ампульный способ). Минимальная токсичность является преимуществом метода, однако его дороговизна, обусловленная одноразовостью ампулы, является существенным недостатком;
  • в незамкнутом объеме (термическая диффузия). Исключаются возможности использования многих элементов из-за высоких температур, а также боковая диффузия являются большими недостатками данного метода;
  • в частично-замкнутом объеме (бокс-метод). Это промежуточный метод между двумя описанными выше.

Для того, чтобы больше узнать о методах и особенностях проведения диффузии, необходимо изучить дополнительную литературу, посвященную конкретно этим вопросам.

Диффузное отражение — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Диффузное и зеркальное отражения[1] Диффузное отражение от неровной поверхности Механизм диффузного отражения в оптически неоднородном твёрдом теле

Диффу́зное отраже́ние (от лат. diffusio «распространение, растекание, рассеивание; взаимодействие») — это отражение светового потока, падающего на поверхность, при котором отражение происходит под углом, отличающимся от падающего и лежащим не обязательно в плоскости падающего луча и нормали к поверхности (зеркальное отражение).

Диффузным отражение становится в том случае, если неровности поверхности имеют порядок длины волны (или превышают её) и расположены беспорядочно[2]. Критерием неровности поверхности по отражению является критерий Рэлея:

h<λ8cos⁡ϕ,{\displaystyle h<{\frac {\lambda }{8\cos \phi }},}
где h{\displaystyle h} — высота неровностей;
λ{\displaystyle \lambda } — длина волны падающего света;
ϕ{\displaystyle \phi } — угол падения на поверхность.

Одна и та же поверхность может быть матовой, диффузно-отражающей для видимого или ультрафиолетового излучения, но гладкой и зеркально-отражающей для инфракрасного излучения. В случае смешанного отражения света часть излучения отражается зеркально, а часть — диффузно.

Возможно диффузное отражение и от гладких поверхностей, если в прозрачной среде материала поверхности имеются центры рассеивания света — неоднородности, например, полированный белый мрамор или поверхность молока.

В астрономии численно характеризуется коэффициентом отражения относительно абсолютно белого тела, отражение которого принимается за 1, называющимся альбедо.

Д. диффузное — это… Что такое Д. диффузное?

  • Диффузное аксональное повреждение головного мозга — Диффузное аксональное повреждение мозга Диффуз …   Википедия

  • диффузное отражение — Отражение падающего светового потока во всех направлениях. Примечание Диффузное отражение наблюдается при отражении падающего светового потока от шероховатых поверхностей, от глянцевых поверхностей происходит зеркальное отражение. [ГОСТ 30721… …   Справочник технического переводчика

  • Диффузное отражение — Диффузное и зеркальное отражение[1] Диффузное отражение  это такое отражение луча света, исходящего от источника, при котором падающий луч отражается под несколькими углами …   Википедия

  • Диффузное излучение неба — это солнечное излучение, достигающее земной поверхности после того, как оно было рассеяно на молекулах или твёрдых частицах в атмосфере. Из всего излучения Солнца, рассеивающегося в атмосфере (около 25% от падающего излучения, когда Солнце… …   Википедия

  • Диффузное аксональное повреждение мозга — radio/216 MeSH D020833 Диффузное аксональное повреждение головного мозга (ДАП)  распространённый вид черепно мозговой травмы, при которой ре …   Википедия

  • ДИФФУЗНОЕ ОТРАЖЕНИЕ — света, (см. ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 …   Физическая энциклопедия

  • диффузное внегалактическое рентгеновское (гамма-) излучение — Компонент внегалактического рентгеновского (гамма ) излучения, характеризующийся непрерывным угловым распределением интенсивности. [ГОСТ 25645.108 84] Тематики излуч. рентген. и гамма излуч. космические EN cosmic x (gamma ) backgroudextragalactic …   Справочник технического переводчика

  • диффузное галактическое рентгеновское (гамма) излучение — Компонент галактического рентгеновского (гамма ) излучения, характеризующийся непрерывным угловым распределением интенсивности. [ГОСТ 25645.108 84] Тематики излуч. рентген. и гамма излуч. космические EN galactic diffuse х (gamma ) rays …   Справочник технического переводчика

  • диффузное освещение — рассеянное освещение — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы рассеянное освещение EN diffuse… …   Справочник технического переводчика

  • диффузное пропускание — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN diffusion by transmission …   Справочник технического переводчика

  • диффузное рассеяние — — [http://www.iks media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324] Тематики электросвязь, основные понятия EN diffused scattering …   Справочник технического переводчика

  • Диффузия — это… Что такое Диффузия?

    Проблемы с содержанием статьи Проверить информацию.

    Необходимо проверить точность фактов и достоверность сведений, изложенных в этой статье.
    На странице обсуждения должны быть пояснения.

    Проблемы с содержанием статьи Схема диффузии через полупроницаемую мембрану

    Диффу́зия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму[1]. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (по градиенту концентрации).

    Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы.

    Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность, вязкое трение и т. п.

    Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.

    Количественно описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком (англ.) в 1855 г.

    Общее описание

    Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.

    Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.

    Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235U от основной массы 238U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.

    Уравнения Фика

    С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала

    ~

    В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал перестаёт быть связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то вышеприведённую формулу можно заменить на следующую:

    которая показывает, что плотность потока вещества J [] пропорциональна коэффициенту диффузии D [()] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):

    Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса.

    Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера—Планка. Процессы диффузии имеют большое значение в природе:

    • Питание, дыхание животных и растений;
    • Проникновение кислорода из крови в ткани человека.

    Геометрическое описание уравнения Фика

    Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения концентрации во времени, а в правой части уравнения — вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение концентрации, в частности, выпуклость функции распределения температур, проецируемую на ось х.

    См. также

    Примечания

    1. Б. С. Бокшейн. Атомы блуждают по кристаллу. С. 9—11

    Литература

    • Бокштейн Б. С. Атомы блуждают по кристаллу. — М.: Наука, 1984. — 208 с. — (Библиотечка «Квант». Вып. 28). — 150 000 экз.

    Ссылки

    ДИФФУЗНОЕ ОТРАЖЕНИЕ — это… Что такое ДИФФУЗНОЕ ОТРАЖЕНИЕ?

    
    ДИФФУЗНОЕ ОТРАЖЕНИЕ
    ДИФФУЗНОЕ ОТРАЖЕНИЕ

           

    Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

    .

    • ДИФФУЗИЯ НОСИТЕЛЕЙ
    • ДИФФУЗНЫЙ РАЗРЯД

    Смотреть что такое «ДИФФУЗНОЕ ОТРАЖЕНИЕ» в других словарях:

    • диффузное отражение — Отражение падающего светового потока во всех направлениях. Примечание Диффузное отражение наблюдается при отражении падающего светового потока от шероховатых поверхностей, от глянцевых поверхностей происходит зеркальное отражение. [ГОСТ 30721… …   Справочник технического переводчика

    • Диффузное отражение — Диффузное и зеркальное отражение[1] Диффузное отражение  это такое отражение луча света, исходящего от источника, при котором падающий луч отражается под несколькими углами …   Википедия

    • диффузное отражение — 02.02.09 диффузное отражение [ diffuse reflection]: Рассеяние отраженного излучения, при котором в макроскопическом масштабе не проявляется зеркальное (направленное) отражение. [МЭК 50 (845) 845 04 47] Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

    • диффузное отражение — sklaidusis atspindys statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Šviesos atspindys nuo paviršiaus, kurio nelygumų matmenys didesni už šviesos bangos ilgį. atitikmenys: angl. diffuse reflection; scattered reflection vok. diffuse… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

    • диффузное отражение — sklaidusis atspindys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. diffuse reflection; scattered reflection vok. diffuse Reflexion, f; Streureflexion, f rus. диффузное отражение, n; рассеянное отражение, n pranc. réflexion diffuse, f …   Fizikos terminų žodynas

    • ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА — явление, заключающееся в том, что при падении света (оптического излучения) из первой среды на границу раздела со второй средой вз ствие света с в вом приводит к появлению световой волны, распространяющейся от границы раздела обратно в первую… …   Физическая энциклопедия

    • ОТРАЖЕНИЕ РАДИОВОЛН — отражениеволн эл. магн. природы в диапазоне от сверхдлинных волн вплоть до границысветового диапазона (см. Радиоволны). Как и в случае световых волн …   Физическая энциклопедия

    • Отражение диффузное — Диффузное отражение: отражение, при котором направленное отражение заметно не проявляется и отраженный свет рассеивается… Источник: ГОСТ 26824 2010. Межгосударственный стандарт. Здания и сооружения. Методы измерения яркости (введен в действие… …   Официальная терминология

    • Отражение (физика) — У этого термина существуют и другие значения, см. Отражение. Отражение физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт… …   Википедия

    • ОТРАЖЕНИЕ ВОЛН — переизлучение волн препятствиями с изменением направления их распространения (вплоть до смены на противоположное). Отражающими объектами могут быть непрозрачные тела, в к рых волны данной природы распространяться не могут, неоднородности среды… …   Физическая энциклопедия

    Диффузное отражение — это… Что такое Диффузное отражение?

  • диффузное отражение — Отражение падающего светового потока во всех направлениях. Примечание Диффузное отражение наблюдается при отражении падающего светового потока от шероховатых поверхностей, от глянцевых поверхностей происходит зеркальное отражение. [ГОСТ 30721… …   Справочник технического переводчика

  • ДИФФУЗНОЕ ОТРАЖЕНИЕ — света, (см. ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА). Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983 …   Физическая энциклопедия

  • диффузное отражение — 02.02.09 диффузное отражение [ diffuse reflection]: Рассеяние отраженного излучения, при котором в макроскопическом масштабе не проявляется зеркальное (направленное) отражение. [МЭК 50 (845) 845 04 47] Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • диффузное отражение — sklaidusis atspindys statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Šviesos atspindys nuo paviršiaus, kurio nelygumų matmenys didesni už šviesos bangos ilgį. atitikmenys: angl. diffuse reflection; scattered reflection vok. diffuse… …   Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

  • диффузное отражение — sklaidusis atspindys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. diffuse reflection; scattered reflection vok. diffuse Reflexion, f; Streureflexion, f rus. диффузное отражение, n; рассеянное отражение, n pranc. réflexion diffuse, f …   Fizikos terminų žodynas

  • ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА — явление, заключающееся в том, что при падении света (оптического излучения) из первой среды на границу раздела со второй средой вз ствие света с в вом приводит к появлению световой волны, распространяющейся от границы раздела обратно в первую… …   Физическая энциклопедия

  • ОТРАЖЕНИЕ РАДИОВОЛН — отражениеволн эл. магн. природы в диапазоне от сверхдлинных волн вплоть до границысветового диапазона (см. Радиоволны). Как и в случае световых волн …   Физическая энциклопедия

  • Отражение диффузное — Диффузное отражение: отражение, при котором направленное отражение заметно не проявляется и отраженный свет рассеивается… Источник: ГОСТ 26824 2010. Межгосударственный стандарт. Здания и сооружения. Методы измерения яркости (введен в действие… …   Официальная терминология

  • Отражение (физика) — У этого термина существуют и другие значения, см. Отражение. Отражение физический процесс взаимодействия волн или частиц с поверхностью, изменение направления волнового фронта на границе двух сред с разными свойствами, в котором волновой фронт… …   Википедия

  • ОТРАЖЕНИЕ ВОЛН — переизлучение волн препятствиями с изменением направления их распространения (вплоть до смены на противоположное). Отражающими объектами могут быть непрозрачные тела, в к рых волны данной природы распространяться не могут, неоднородности среды… …   Физическая энциклопедия

  • Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *