Дифуз?я
Досл?джу?ться в	термодинам?ка
Дифуз?я у В?к?сховищ?

Дифу?з?я ( лат. diffusio  ? поширення, розт?кання, розс?ювання, вза?мод?я) ? процес вза?много проникнення молекул або атом?в одн??? речовини пом?ж молекул або атом?в ?ншо?, що зазвичай приводить до вир?внювання ?х концентрац?й у всьому займаному об'?м?.

У деяких ситуац?ях одна з речовин уже ма? вир?вняну концентрац?ю, ? говорять про дифуз?ю одно? речовини в ?нш?й. При цьому зазвичай перенесення речовини в?дбува?ться з област? з високою концентрац??ю в область з низькою концентрац??ю (вздовж вектора град??нта концентрац??).

Прикладом дифуз?? може служити перем?шування газ?в (наприклад, поширення запах?в) або р?дин (якщо у воду капнути чорнила, то р?дина через деякий час стане р?вном?рно пофарбованою). ?нший приклад пов'язаний з твердим т?лом: атоми дотичних метал?в перем?шуються на меж? дотику. Важливу роль дифуз?я частинок гра? у ф?зиц? плазми.

Зазвичай п?д дифуз??ю розум?ють процеси, що супроводжуються перенесенням речовини, однак ?нод? дифуз?йними називають також ?нш? процеси перенесення: теплопров?дн?сть, в'язке тертя тощо.

Швидк?сть дифуз?? залежить в?д багатьох фактор?в. Так, у раз? металевого стрижня дифуз?я тепла проходить дуже швидко. Якщо ж стрижень виготовлений з синтетичного матер?алу, дифуз?я тепла прот?ка? пов?льно. Дифуз?я молекул в загальному випадку прот?ка? ще пов?льн?ше. Наприклад, якщо шматочок цукру опустити на дно склянки з водою, ? воду не перем?шувати, то пройде к?лька тижн?в, перш н?ж розчин стане однор?дним. Ще пов?льн?ше в?дбува?ться дифуз?я одн??? твердо? речовини в ?ншу. Наприклад, якщо м?дь покрити золотом, то буде в?дбуватися дифуз?я золота в м?дь, але при нормальних умовах (к?мнатна температура ? атмосферний тиск) золотовм?сний шар досягне товщини в к?лька м?крон?в т?льки через к?лька тисяч рок?в. ?нший приклад: на золотий злиток був покладений злиток свинцю, ? п?д вантажем за п'ять рок?в свинцевий злиток проникнув в золотий злиток на сантиметр.

К?льк?сно опис процес?в дифуз?? дав н?мецький ф?з?олог Адольф Ф?к у 1855 р.

Дифуз?я ? один ?з ступен?в численних технолог?чних процес?в ф?зично? х?м?? ( адсорбц?? , сушки, екстрагування , брикетування з в'яжучими речовинами, тощо). Дифуз?я в?дбува?ться в газах , р?динах ? твердих т?лах . Механ?зм дифуз?? в цих речовинах ?стотно р?зний. Дифуз?я що в?дбува?ться внасл?док теплового руху атом?в , молекул , ? молекулярна дифуз?я. Дифундувати можуть як частинки сторонн?х речовин (дом?шок), нер?вном?рно розпод?лених у середовищ?, так ? частинки само? речовини середовища. У останньому випадку процес назива?ться самодифуз??ю. Термодифуз?я  ? це дифуз?я п?д д??ю град??нта температури в об'?м? т?ла, бародифуз?я  ? п?д д??ю град??нта тиску або грав?тац?йного поля . Перенесення заряджених частинок п?д д??ю зовн?шнього електричного поля  ? електродифуз?я . У рухомому середовищ? може виникати конвекц?йна дифуз?я , при вихровому рус? газу або р?дини ? турбулентна дифуз?я .

Насл?дком дифуз?? ? перем?щення часток ?з областей, де ?хня концентрац?я висока, в област?, де ?хня концентрац?я низька, тобто вир?внювання концентрац?? часток у термодинам?чн?й систем?, встановлення р?вноваги за складом.

Дифуз?я дуже розповсюджене явище, яке в?д?гра? велику роль у функц?онуванн? живих орган?зм?в. У легенях молекули кисню дифундують у кровоносн? судини , завдяки процесам дифуз?? в?дбува?ться обм?н речовин у кл?тинах .

Дифуз?я широко використову?ться у техн?ц?. Наприклад, робота б?полярного транзистора основана на дифуз?? неосновних нос??в заряду через p-n перех?д . Виб?ркове перенесення певних компонент?в у пори речовини ? ?нф?льтрац?йна дифуз?я. Дифуз?я ма? особливе значення в шахтах , де вона сприя? р?вном?рному розпод?лу шк?дливих газ?в в атмосфер? г?рн. виробок, попередженню ?х небезпечних скупчень. Сутт?ве значення в?д?гра? дифуз?я в технолог?чних процесах при застосуванн? реагент?в. Р?зн? речовини дифундують з р?зною швидк?стю, що залежить в?д молекулярно? маси речовини. Цей факт використову?ться для розд?лення ?зотоп?в .

У загальному випадку можна сказати, що темп дифуз?? пропорц?йний швидкост? молекул (яка, в свою чергу, пропорц?йна температур? ? обернено пропорц?йна мас? молекул), а також пропорц?йний площ? перер?зу зразка.

Дифуз?йним потоком або густиною дифуз?йного потоку j називають к?льк?сть речовини, що проходить через одиницю площ? за одиницю часу. Ця величина дор?вню?

${\displaystyle \mathbf {j} =-D\nabla n}$.

тобто, пот?к пропорц?йний град??нту концентрац?? ( перший закон Ф?ка ). Знак м?нус показу?, що дифуз?я в?дбува?ться у напрямку, протилежному до зростання град??нту. Величина ${\displaystyle D}$ назива?ться коеф?ц??нтом дифуз?? , ? ? м?рою д?? середовища на частинки. Ф?зичний сенс коеф?ц??нта дифуз??: це к?льк?сть речовини, що проходить через д?лянку в 1 м ² при град??нт? концентрац?? речовини у 1 моль/м ³ на метр.

З р?вняння неперервност? (яке можна розум?ти як закон збереження к?лькост? частинок) можна вивести р?вняння дифуз??

${\displaystyle {\frac {\partial n}{\partial t}}+{\text{div}}\,\mathbf {j} =0}$

а використавши вираз для густини потоку, можна отримати феноменолог?чне р?вняння дифуз??

${\displaystyle {\frac {\partial n}{\partial t}}={\text{div}}D\nabla n}$,

що у випадку незм?нного D перетворю?ться на другий закон Ф?ка :

${\displaystyle {\frac {\partial n}{\partial t}}=D\Delta n}$,

де ${\displaystyle \Delta ={\text{div}}\,\nabla }$ ? оператор Лапласа . ^[1]

У б?льш загальному випадку систем часток, як? вза?мод?ють м?ж собою р?вняння дифуз?? запису?ться у вигляд?:

${\displaystyle {\frac {\partial n}{\partial t}}={\text{div}}\,(Dn\nabla \mu )+f(x,t)}$ ,

де μ ? х?м?чний потенц?ал а f ? ?нтенсивн?сть джерел речовини. Це р?вняння виража? той факт, що умовою р?вноваги за складом ? р?вн?сть х?м?чного потенц?алу у вс?й термодинам?чн?й систем? , а вир?внювання концентрац?? ? це лише частковий випадок для однор?дних систем, близьких до ?деального газу .

У найпрост?шому випадку розгляда?ться одновим?рна система з початковою концентрац??ю заданою дельта-функц??ю ^[2] , що в?дпов?да? одноразовому митт?вому внесенню дифундуючо? речовини у середовище (наприклад, крапля чорнил, що потрапля? всередину трубки з водою)

${\displaystyle n(r,t)={\frac {1}{\sqrt {4\pi Dt}}}e^{-{\frac {x^{2}}{4Dt}}}}$

У випадку дов?льно? початково? функц?? ${\displaystyle \phi (x)}$,

${\displaystyle n(x,t)=\int _{-\infty }^{\infty }G(x,\xi ,t)\phi (\xi )d\xi }$, де

${\displaystyle G(x,\xi ,t)={\frac {1}{\sqrt {4\pi Dt}}}e^{-{\frac {(x-\xi )^{2}}{4Dt}}}}$

де <math}\xi</math> ? поточна координата ?нтегрування. Таке р?вняння назива?ться фундаментальним розв'язком р?вняння дифуз?? при заданих початкових умовах.

Б?льш складн? випадки включають коеф?ц??нт дифуз??, що залежить в?д часу, температури або концентрац?? дифундуючо? речовини, зм?нну геометр?ю середовища, х?м?чн? реакц?? м?ж речовиною ? середовищем, тощо. ^[3] З математично? точки зору, р?вняння дифуз?? ? частковим випадком р?вняння Нав'? ? Стокса . Також, у загальному вигляд?, вони ? аналог?чними р?внянням теплопров?дност?.

При дифуз?? кожна частинка речовини руха?ться хаотично п?д д??ю оточуючих ?? частинок. Цей рух ? аналог?чним броун?вському, а тому ма? аналог?чн? характеристики. Для частки характерна пропорц?йн?сть середнього зм?щення квадратному кореню з часу.

${\displaystyle \langle (x-x_{0})^{2}+(y-y_{0})^{2}+(z-z_{0})^{2}\rangle \propto t}$,

де ${\displaystyle x}$, ${\displaystyle y}$, ${\displaystyle z}$ ? координати частки в момент часу t, ${\displaystyle x_{0}}$, ${\displaystyle y_{0}}$, ${\displaystyle z_{0}}$ ? ?? координати в початковий момент часу. Це сп?вв?дношення дозволя? ввести к?льк?сну характеристику дифуз?? ? коеф?ц??нт дифуз?? D:

${\displaystyle D={\frac {1}{6t}}\langle (x-x_{0})^{2}+(y-y_{0})^{2}+(z-z_{0})^{2}\rangle }$.

В газах швидк?сть дифуз?? залежить в?д середньо? довжини в?льного проб?гу (обернено пропорц?йна тиску) ? швидкост? молекул (пропорц?йна ${\displaystyle {\sqrt {T}}}$). Дифуз?я у плазм? под?бна до дифуз?? у газах, але ?? опис м?стить у соб? д?ю електричних ? магн?тних пол?в. Рух електрон?в у нап?впров?дниках може розглядатись як дифуз?я електронного газу, з урахуванням електромагн?тно? самод?? заряду. ^[4] У випадку дифуз?? дом?шок ?з низькою концентрац??ю, маса частинок яких менша за масу частинок газу-середовища, можна вивести б?льш точну формулу для коеф?ц??нта дифуз??: ${\displaystyle D={\frac {1}{3}}\lambda {\bar {v}}}$, де λ ? середня довжина в?льного проб?гу частинки. ^[5]

У випадку б?льш важких дом?шок потр?бно враховувати, що п?д λ насправд? ма?ться на уваз? ефективна довжина проб?гу ? середня в?дстань, пролет?вши яку частинка сутт?во зм?ню? св?й напрям руху. У випадку дом?шок, що значно важч? за середовище, ця в?дстань у ${\displaystyle {\sqrt {\frac {m}{m_{0}}}}}$ б?льша за довжину в?льного проб?гу. ^[5]

Дифуз?я у р?динах ? значно складн?шою за дифуз?ю у газах через в?дсутн?сть у р?динах в?льного проб?гу молекул. У найпрост?шому вар?ант? опису, р?дина розгляда?ться як кваз?стац?онарна система, молекули яко? час в?д часу роблять ≪стрибки≫ з одного стану в ?нший. У такому раз?, зам?сть в?льного проб?гу, система характеризу?ться середн?м пер?одом спокою τ ₀ . Шанс зробити стрибок з одного стану в ?нший залежить в?д р?зниц? потенц?йних енерг?й у цих станах, тому ${\displaystyle \tau \sim \tau _{0}e^{\frac {W}{kT}}}$, де W ? енерг?я активац?? . У такому вар?ант? коеф?ц??нт дифуз?? можна виразити як ${\displaystyle D\cong {\frac {d^{2}}{6\tau _{0}}}e^{\frac {-W}{kT}}}$, де d ? середня в?дстань м?ж частинками р?дини. З? зб?льшенням температури, d зроста?, а τ стр?мко пада?, тому загалом D зроста? експоненц?йно. ^[4]

У твердих т?лах дифуз?я в?дбува?ться завдяки дефектам кристал?чно? ?ратки, перем?щенню атом?в м?ж ?? вузлами або обм?ну м?сцями сус?дн?х атом?в. Швидк?сть дифуз?? у твердих т?лах залежить в?д к?лькост? дефект?в у ?ратц?. Також, як ? в р?динах, коеф?ц??нт дифуз?? експоненц?йно зроста? з температурою, але значно швидше ? наприклад, швидк?сть дифуз?? цинку в м?д? при п?двищенн? температури з 30 до 300 °C зроста? в 10 ¹⁴ раз?в. ^[4] .

Под?бно до р?дин, коеф?ц??нт дифуз?? у твердих т?лах можна виразити як ${\displaystyle D\cong {\frac {a^{2}}{\tau _{0}}}e^{\frac {-W}{kT}}}$, де a ? стала ?ратки.

При контакт? двох твердих речовин, коеф?ц??нт дифуз?? першо? речовини в другу може в?др?знятися в?д коеф?ц??нта дифуз?? друго? в першу. Через це, у б?льш швидкодифундуюч?й речовин? можуть утворюватись пори. Це явище назива?ться ефектом К?ркендала ^[6]

• Дифуз?йний шар
• Термодифуз?я
• Кнудсен?вська дифуз?я

• ДИФУЗ?Я [ Арх?вовано 10 березня 2016 у Wayback Machine .] // Фармацевтична енциклопед?я
• ДИФУЗ?Я [ Арх?вовано 8 березня 2016 у Wayback Machine .] // ЕСУ

Це незавершена стаття з ф?зики . Ви можете допомогти про?кту, виправивши або дописавши ?? .

Тематичн? сайти Wolfram Language · Quora · Yleinen suomalainen ontologia Словники та енциклопед?? Велика данська енциклопед?я · Енциклопед?я сучасно? Укра?ни · Шведська нац?ональна енциклопед?я · BabelNet · Britannica (11-th) · Cultureel Woordenboek · Encyclopædia Britannica · Internetowa encyklopedia PWN Дов?дков? видання Brilliant.org · KBpedia · WordNet Нормативний контроль Freebase :  /m/09gpz5t · GND :  4012277-3 · J9U :  987007552906705171 · LCCN :  sh85037936 · LNB :  000087180 · NDL :  00564757 · NKC :  ph135368