Azərbaycanca
Беларускі
Dansk
Deutsch
Española
Français
Indonesia
Italiana
日本語
Қазақ
Lietuvos
Nederlands
Português
Русский
සිංහල
แบบไทย
Türkçe
Українська
中國人
United State
Afrikaans
Молекулярна дифузія, або просто дифузія — це тепловий рух всіх (у рідині або газі) частинок при температурах вище абсолютного нуля. Швидкість цього руху залежить від температури, в'язкості рідини і розміру (маси) цих частинок. Дифузія пояснює потік молекул з області з більш високою їх концентрацією в область з меншою їх концентрацією. Після того, як концентрації в обох областях зрівняються, рух молекул не припиниться, але так як вже не буде градієнта концентрації, процес молекулярної дифузії заміниться на процес самодифузії, який виникає з хаотичного руху молекул. В результаті дифузії відбувається поступове перемішування матеріалу, поки розподіл молекул в області не стане однорідним. Оскільки молекули ще будуть знаходитися в русі, але рівновага вже буде досягнута, то цей результат молекулярної дифузії називають "динамічною рівновагою". У термодинамічній фазі з рівномірною температурою, при відсутності зовнішніх сил, що діють на частинки, дифузійний процес в кінцевому результаті призводять до повного їх перемішування.
Розглянемо дві системи; S1 і S2 які мають однакову температуру і здатні обмінюватися між собою молекулами. Якщо відбувається зміна потенціальної енергії системи; наприклад μ1>μ2, де μ - це хімічний потенціал, потік енергії буде відбуватися від S1 до S2, тому що природа завжди віддає перевагу низької енергії та максимальній ентропії.
Молекулярна дифузія зазвичай описується математично, використовуючи закони дифузії Фіка.
Застосування
Дифузія має фундаментальне значення в багатьох напрямках фізики, хімії та біології. Деякі приклади застосування дифузії:
- Спікання для виробництва твердих матеріалів (порошкова металургія, виробництво кераміки)
- Конструювання хімічного реактору
- Виробництво каталізаторів в хімічній промисловості
- Створення різних сплавів сталі (наприклад, з вуглецем або азотом), щоб покращення його властивостей
- Легування при виробництві напівпровідників.
Важливість
Дифузія є одним з явищ переносу. Порівняно з іншими транспортними механізмами, молекулярна дифузія є повільнішою за них.
Біологія
У клітинній біології, дифузія — це основний вид транспорту для матеріалів, такі як амінокислоти, всередині клітини. Дифузія розчинників через напівпроникну мембрану, таких як вода, класифікується як осмос.
Обмін речовин і дихання — ще один із процесів дифузії в біології. Наприклад, в альвеолах в легенях ссавців, через різницю парціальних тисків, крізь альвеолярно-капілярну мембрану кисень проникає в кров, а вуглекислий газ виходить назовні. Легені володіють великою площею поверхні для полегшення процесу газообміну.
Само- і хімічна дифузія
Розрізняють два види дифузії:
- Самодифузія — це спонтанне перемішування молекул, яке відбувається при відсутності градієнту концентрації (або хімічного потенціалу). Одним із методів вимірювання коефіцієнтів самодифузії є метод імпульсного градієнта поля (ІГП) для ЯМР, де немає ізотопних трассерів. У так званої ЯМР, цей метод використовує ядерну спінову прецесію фази, що дозволяє хімічно і фізично розрізняти абсолютно однакові види молекули, наприклад, молекули води. Коефіцієнт самодифузії води був визначений експериментально з високою точністю і, таким чином, він часто виступає опорним значенням для вимірювання цього показника для інших рідин. У самодифузії коефіцієнт для води має значення: 2.299·10-9 м2·с-1 при 25 °С і 1261·10-9 м2·с-1 при 4 °С.
- Хімічна дифузія відбувається за наявності концентрації (або хімічного потенціалу) градієнта. Цей процес описується дифузійним рівнянням. Ця дифузія завжди збільшує ентропію системи і приводить її до стану рівноваги.
Нерівноважні системи
Оскільки хімічна дифузія — транспортний процес, система, у якій вона відбувається, не є рівноважною системою (тобто не перебуває в спокої). Багато результатів класичної термодинаміки не легко застосувати для цих систем. Однак, іноді виникають так звані квазі-стаціонарні стани, де дифузійний процес не змінюється в часі, тому класичні результати можна там застосовувати. Але цей процес не перебуває в справжній рівновазі, так як система все ще розвивається.
Нерівноважні рідинні системи можуть бути успішно змодельовані за допомогою гідродинамічного коливання Ландау-Ліфшиця. В цій теоретичній основі, дифузія відбувається через флуктуації, розміри яких варіюються від молекулярного до макроскопічного масштабу.
Хімічна дифузія збільшує ентропію системи, тобто дифузія — спонтанний і незворотний процес. Частинки можуть розповсюджуватися шляхом дифузії, але не спонтанно змінити своє місце в системі при відсутніх змін в системі.
Концентраційна залежність "колективної" дифузії
Колективна дифузія — це дифузія великого числа частинок, найчастіше всередині розчинника.
Всупереч броунівського руху, в якому розглядається взаємодія між різними частинками, вони утворюють ідеальне поєднання з розчинником (ідеальне поєднання стану відповідає випадку, коли взаємодія між розчинником і частинками є ідентичними взаємодіям між частинками і взаємодіями між молекулами розчинника; в цьому випадку частинки не взаємодіють, коли вони знаходяться всередині розчинника).
У разі ідеального поєднання, частина рівняння дифузії є вірною і коефіцієнт дифузії D та швидкість дифузії у цій частині рівняння є незалежним від концентрації частинок. В інших випадках, в результаті взаємодії між частинками в розчиннику, виникають наступні ефекти:
- коефіцієнт дифузії D в рівнянні дифузії стає залежним від концентрації. При притягувальній взаємодії між частинками, коефіцієнт дифузії має тенденцію до зниження, якщо концентрація збільшується. При відштовхуючій взаємодії між частинками, коефіцієнт дифузії збільшується, якщо концентрація теж збільшується.
- У разі притягувальної взаємодії між частинками, вони мають тенденцію злипатися і утворюють кластери, якщо їх концентрація знаходиться вище певного певної величини. Це еквівалентно преципітації хімічної реакції.
Молекулярна дифузія газів
Транспортування матеріалу у нерухомому газі або через потік газу в ламінарному потоці відбувається шляхом молекулярної дифузії. Нехай є два відсіки, відділені перегородкою, в яких знаходять гази A і B. Випадковий рух молекул відбувається таким чином, що через деякий період молекули знаходяться далеко від своїх початкових позицій. Якщо перегородка відсутня,то деякі молекули рухаються в бік області, зайнятої газом B і їх кількість залежить від числа молекул в момент розгляду. Одночасно, молекули газу B рухаються туди, де раніше були молекули А. Через певний час відбувається повне змішування. До цього, поступове зміна концентрації відбувається вздовж осі, позначається x, яка приєднується до початкових відсіків. Цей варіант можна виразити математично як -dCA/dx, де CА - концентрація газу А. Знак мінус виникає тому, що концентрація зменшується при збільшенні x. Аналогічним чином виражаються зміни в концентрації газу B як -dCB/dx. Швидкість дифузії молекул А, NА, залежить від градієнта концентрації і середньої в'язкості, з якою молекули переміщається в напрямку x. Цей зв'язок виражається законом Фіка
де D — коефіцієнт дифузії A через B, який залежить від температури і тиску газів. Швидкість дифузії NА, як правило, виражається як кількість молей, який проходить через одиницю площі в одиницю часу. Як і у випадку з основним рівнянням теплопередачі, це означає, що швидкість прямо пропорційна градієнту концентрації.
Посилання
- Maton, Anthea; Jean Hopkins; Susan Johnson; David LaHart; Maryanna Quon Warner; Jill D. Wright (1997). Cells Building Blocks of Life. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall. с. 66–67.
- M. Holz, S.R. Heil, A. Sacco: Temperature-dependent self-diffusion coefficients of water and six selected molecular liquids for calibration in accurate 1H NMR PFG Measurements.
- D. Brogioli and A. Vailati, Diffusive mass transfer by nonequilibrium fluctuations: Fick's law revisited, Phys.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Molekulyarna difuziya abo prosto difuziya ce teplovij ruh vsih u ridini abo gazi chastinok pri temperaturah vishe absolyutnogo nulya Shvidkist cogo ruhu zalezhit vid temperaturi v yazkosti ridini i rozmiru masi cih chastinok Difuziya poyasnyuye potik molekul z oblasti z bilsh visokoyu yih koncentraciyeyu v oblast z menshoyu yih koncentraciyeyu Pislya togo yak koncentraciyi v oboh oblastyah zrivnyayutsya ruh molekul ne pripinitsya ale tak yak vzhe ne bude gradiyenta koncentraciyi proces molekulyarnoyi difuziyi zaminitsya na proces samodifuziyi yakij vinikaye z haotichnogo ruhu molekul V rezultati difuziyi vidbuvayetsya postupove peremishuvannya materialu poki rozpodil molekul v oblasti ne stane odnoridnim Oskilki molekuli she budut znahoditisya v rusi ale rivnovaga vzhe bude dosyagnuta to cej rezultat molekulyarnoyi difuziyi nazivayut dinamichnoyu rivnovagoyu U termodinamichnij fazi z rivnomirnoyu temperaturoyu pri vidsutnosti zovnishnih sil sho diyut na chastinki difuzijnij proces v kincevomu rezultati prizvodyat do povnogo yih peremishuvannya Rozglyanemo dvi sistemi S1 i S2 yaki mayut odnakovu temperaturu i zdatni obminyuvatisya mizh soboyu molekulami Yaksho vidbuvayetsya zmina potencialnoyi energiyi sistemi napriklad m1 gt m2 de m ce himichnij potencial potik energiyi bude vidbuvatisya vid S1 do S2 tomu sho priroda zavzhdi viddaye perevagu nizkoyi energiyi ta maksimalnij entropiyi Molekulyarna difuziya zazvichaj opisuyetsya matematichno vikoristovuyuchi zakoni difuziyi Fika ZastosuvannyaDifuziya maye fundamentalne znachennya v bagatoh napryamkah fiziki himiyi ta biologiyi Deyaki prikladi zastosuvannya difuziyi Spikannya dlya virobnictva tverdih materialiv poroshkova metalurgiya virobnictvo keramiki Konstruyuvannya himichnogo reaktoru Virobnictvo katalizatoriv v himichnij promislovosti Stvorennya riznih splaviv stali napriklad z vuglecem abo azotom shob pokrashennya jogo vlastivostej Leguvannya pri virobnictvi napivprovidnikiv VazhlivistShematichne predstavlennya zmishuvannya dvoh substancij shlyahom difuziyi Difuziya ye odnim z yavish perenosu Porivnyano z inshimi transportnimi mehanizmami molekulyarna difuziya ye povilnishoyu za nih Biologiya U klitinnij biologiyi difuziya ce osnovnij vid transportu dlya materialiv taki yak aminokisloti vseredini klitini Difuziya rozchinnikiv cherez napivproniknu membranu takih yak voda klasifikuyetsya yak osmos Obmin rechovin i dihannya she odin iz procesiv difuziyi v biologiyi Napriklad v alveolah v legenyah ssavciv cherez riznicyu parcialnih tiskiv kriz alveolyarno kapilyarnu membranu kisen pronikaye v krov a vuglekislij gaz vihodit nazovni Legeni volodiyut velikoyu plosheyu poverhni dlya polegshennya procesu gazoobminu Samo i himichna difuziyaSamodifuziya na prikladi izotropnogo trasseru radioaktivnogo izotopu 22Na Priklad himichnoyi difuziyi natrij hloridu u vodi Rozriznyayut dva vidi difuziyi Samodifuziya ce spontanne peremishuvannya molekul yake vidbuvayetsya pri vidsutnosti gradiyentu koncentraciyi abo himichnogo potencialu Odnim iz metodiv vimiryuvannya koeficiyentiv samodifuziyi ye metod impulsnogo gradiyenta polya IGP dlya YaMR de nemaye izotopnih trasseriv U tak zvanoyi YaMR cej metod vikoristovuye yadernu spinovu precesiyu fazi sho dozvolyaye himichno i fizichno rozriznyati absolyutno odnakovi vidi molekuli napriklad molekuli vodi Koeficiyent samodifuziyi vodi buv viznachenij eksperimentalno z visokoyu tochnistyu i takim chinom vin chasto vistupaye opornim znachennyam dlya vimiryuvannya cogo pokaznika dlya inshih ridin U samodifuziyi koeficiyent dlya vodi maye znachennya 2 299 10 9 m2 s 1 pri 25 S i 1261 10 9 m2 s 1 pri 4 S Himichna difuziya vidbuvayetsya za nayavnosti koncentraciyi abo himichnogo potencialu gradiyenta Cej proces opisuyetsya difuzijnim rivnyannyam Cya difuziya zavzhdi zbilshuye entropiyu sistemi i privodit yiyi do stanu rivnovagi Nerivnovazhni sistemiOskilki himichna difuziya transportnij proces sistema u yakij vona vidbuvayetsya ne ye rivnovazhnoyu sistemoyu tobto ne perebuvaye v spokoyi Bagato rezultativ klasichnoyi termodinamiki ne legko zastosuvati dlya cih sistem Odnak inodi vinikayut tak zvani kvazi stacionarni stani de difuzijnij proces ne zminyuyetsya v chasi tomu klasichni rezultati mozhna tam zastosovuvati Ale cej proces ne perebuvaye v spravzhnij rivnovazi tak yak sistema vse she rozvivayetsya Nerivnovazhni ridinni sistemi mozhut buti uspishno zmodelovani za dopomogoyu gidrodinamichnogo kolivannya Landau Lifshicya V cij teoretichnij osnovi difuziya vidbuvayetsya cherez fluktuaciyi rozmiri yakih variyuyutsya vid molekulyarnogo do makroskopichnogo masshtabu Himichna difuziya zbilshuye entropiyu sistemi tobto difuziya spontannij i nezvorotnij proces Chastinki mozhut rozpovsyudzhuvatisya shlyahom difuziyi ale ne spontanno zminiti svoye misce v sistemi pri vidsutnih zmin v sistemi Koncentracijna zalezhnist kolektivnoyi difuziyiKolektivna difuziya ce difuziya velikogo chisla chastinok najchastishe vseredini rozchinnika Vsuperech brounivskogo ruhu v yakomu rozglyadayetsya vzayemodiya mizh riznimi chastinkami voni utvoryuyut idealne poyednannya z rozchinnikom idealne poyednannya stanu vidpovidaye vipadku koli vzayemodiya mizh rozchinnikom i chastinkami ye identichnimi vzayemodiyam mizh chastinkami i vzayemodiyami mizh molekulami rozchinnika v comu vipadku chastinki ne vzayemodiyut koli voni znahodyatsya vseredini rozchinnika U razi idealnogo poyednannya chastina rivnyannya difuziyi ye virnoyu i koeficiyent difuziyi Dta shvidkist difuziyi u cij chastini rivnyannya ye nezalezhnim vid koncentraciyi chastinok V inshih vipadkah v rezultati vzayemodiyi mizh chastinkami v rozchinniku vinikayut nastupni efekti koeficiyent difuziyi D v rivnyanni difuziyi staye zalezhnim vid koncentraciyi Pri prityaguvalnij vzayemodiyi mizh chastinkami koeficiyent difuziyi maye tendenciyu do znizhennya yaksho koncentraciya zbilshuyetsya Pri vidshtovhuyuchij vzayemodiyi mizh chastinkami koeficiyent difuziyi zbilshuyetsya yaksho koncentraciya tezh zbilshuyetsya U razi prityaguvalnoyi vzayemodiyi mizh chastinkami voni mayut tendenciyu zlipatisya i utvoryuyut klasteri yaksho yih koncentraciya znahoditsya vishe pevnogo pevnoyi velichini Ce ekvivalentno precipitaciyi himichnoyi reakciyi Molekulyarna difuziya gazivTransportuvannya materialu u neruhomomu gazi abo cherez potik gazu v laminarnomu potoci vidbuvayetsya shlyahom molekulyarnoyi difuziyi Nehaj ye dva vidsiki viddileni peregorodkoyu v yakih znahodyat gazi A i B Vipadkovij ruh molekul vidbuvayetsya takim chinom sho cherez deyakij period molekuli znahodyatsya daleko vid svoyih pochatkovih pozicij Yaksho peregorodka vidsutnya to deyaki molekuli ruhayutsya v bik oblasti zajnyatoyi gazom B i yih kilkist zalezhit vid chisla molekul v moment rozglyadu Odnochasno molekuli gazu B ruhayutsya tudi de ranishe buli molekuli A Cherez pevnij chas vidbuvayetsya povne zmishuvannya Do cogo postupove zmina koncentraciyi vidbuvayetsya vzdovzh osi poznachayetsya x yaka priyednuyetsya do pochatkovih vidsikiv Cej variant mozhna viraziti matematichno yak dCA dx de CA koncentraciya gazu A Znak minus vinikaye tomu sho koncentraciya zmenshuyetsya pri zbilshenni x Analogichnim chinom virazhayutsya zmini v koncentraciyi gazu B yak dCB dx Shvidkist difuziyimolekul A NA zalezhit vid gradiyenta koncentraciyi i serednoyi v yazkosti z yakoyu molekuli peremishayetsya v napryamku x Cej zv yazok virazhayetsya zakonom Fika N A D A B d C A d x displaystyle N A D AB frac dC A dx de D koeficiyent difuziyi A cherez B yakij zalezhit vid temperaturi i tisku gaziv Shvidkist difuziyi NA yak pravilo virazhayetsya yak kilkist molej yakij prohodit cherez odinicyu ploshi v odinicyu chasu Yak i u vipadku z osnovnim rivnyannyam teploperedachi ce oznachaye sho shvidkist pryamo proporcijna gradiyentu koncentraciyi PosilannyaMaton Anthea Jean Hopkins Susan Johnson David LaHart Maryanna Quon Warner Jill D Wright 1997 Cells Building Blocks of Life Upper Saddle River New Jersey Prentice Hall s 66 67 M Holz S R Heil A Sacco Temperature dependent self diffusion coefficients of water and six selected molecular liquids for calibration in accurate 1H NMR PFG Measurements D Brogioli and A Vailati Diffusive mass transfer by nonequilibrium fluctuations Fick s law revisited Phys