Dyfuzja

Dyfuzja jest to fizyczny proces wyrównywania się stężenia składników w mieszaninie płynów na skutek bezładnego ruchu cząsteczek gazu lub cieczy.

Dyfuzja stężeniowa to taki rodzaj dyfuzji, który wywołany jest występowaniem różnicy (gradientu) stężenia. Na skutek tej dyfuzji następuje wymieszanie się cząsteczek różnych płynów w wyniku samoistnego i, co niezwykle istotne, nieodwracalnego procesu. Dyfuzja jest jednym ze źródeł rozpraszania energii w mieszaninie.

Przykłady

Oto kilka przykładów występowania zjawiska dyfuzji:

Rozchodzenie się zapachów w pomieszczeniu.
Proces oddychania - przenikanie tlenu do krwi w płucach.
Parzenie herbaty - cząstki uwalniające się z liści herbaty podczas parzenia rozchodzą się wraz z upływem czasu po całej zawartości filiżanki z wodą.
Proces farbowania ubrań.
Przyprawianie potraw - na przykład wystarczy do gorącej wody wsypać sól, aby cała zawartość wody po pewnym czasie była słona.

Symulacja

Ćwiczenia

Za pomocą zamieszczonej tu symulacji spróbuj odpowiedzieć na następujące pytania:

Od czego zależy tempo zachodzenia zjawiska dyfuzji? Zbadaj zależności tempa zachodzenia zjawiska dyfuzji w zależności od upakowania cząstek gazu, wielkości tych cząstek i ich prędkości.
Czy osiągnięty zostaje stan równowagi trwałej?
Czy proces dyfuzji jest odwracalny?

Rodzaje dyfuzji

Oprócz opisanej wyżej dyfuzji stężeniowej Istnieją jeszcze inne rodzaje dyfuzji:

Dyfuzja cieplna (termodyfuzja) - wywołana występowaniem gradientu temperatury.
Dyfuzja ładunkowa (elektrodyfuzja) - wywołana występowaniem ładunku elektrycznego.
Dyfuzja ciśnieniowa - wywołana występowaniem gradientu ciśnienia.
Dyfuzja wymuszona - wywołana występowaniem gradientu sił zewnętrznych.

Dyfuzja w ciałach stałych

Czy zjawisko dyfuzji występuje w ciałach stałych? Tak i polega na przemieszczaniu się atomów ciała stałego lub domieszki, a także defektów w kryształach w wyniku istnienia różnicy temperatur lub ich stężenia. W porównaniu z dyfuzją w płynach proces ten jest bardzo powolny.

Istnieje też zjawisko przemieszczania się nośników prądu w półprzewodniku na skutek występowania gradientu ich koncentracji.

Charakter dyfuzji w ciałach stałych jest nieco inny niż w płynach z uwagi na to, że cząstki ciała stałego drgają wokół położenia równowagi i przemieszczenie się takiej cząstki może wystąpić na skutek zerwania wiązania. Rzecz jasna na tempo takich przeskoków cząstek w ciele stałych ma duży wpływ temperatura.

Dla zaawansowanych

Prawo Ficka

Dla mieszaniny dwuskładnikowej i przy założeniu jednowymiarowej (w naszym przypadku obraliśmy ość x) niejednorodności mieszaniny przy stałym ciśnieniu i temperaturze miarą przepływu jednego składnika względem drugiego jest gęstość strumienia dyfuzji j_x. Definiujemy ją jako ilość masy pierwszego składnika, która przepływa w jednostkowym czasie przez jednostkową powierzchnię, prostopadłą do kierunku gradientu stężenia.

$j_{x}=-\rho D\frac{\partial c}{\partial x}$

gdzie:

ρ - gęstość mieszaniny,
c - stężenie,
D - współczynnik dyfuzji.

Współczynnik dyfuzji jest stałą wartością dla danego układu mieszających się ciał, zależny od średniej prędkości cząsteczek (a więc i temperatury) oraz od średniej drogi swobodnej cząsteczek ciała.

W konsekwencji można otrzymać tak zwane równanie dyfuzji:

$\frac{\partial c}{\partial t} = D\frac{\partial^2 c}{\partial x^2}$