分子扩散

分子扩散(英语:molecular diffusion),通常简称扩散,是任何粒子(气体或液体)于绝对零度以上之环境下的热力学运动。本行为的速率是温度、流体黏度以及粒子大小(质量)的函数。扩散解释高浓度与低浓度之间存在分子净通量的原因。一旦浓度相等,分子虽持续运动,但由于浓度梯度已不复存在,分子遂停止扩散,改由自扩散主导分子的随机运动。扩散的结局是材料逐渐混合,使分子分布达成均匀。由于分子依然持续运动,但平衡也已经建立,因此分子扩散的最终状态被称为“动态平衡”。在具有均匀温度的相态中,因不受外部合力影响,扩散过程最终将达到完全混合。

由微观及宏观的角度观察扩散。起始时,障碍(紫色线条)左侧含有溶质分子,而左侧则无。当障碍移除,溶质将以扩散的刑式充满整个容器。图一:单一分子之运动是随意的。图二:当有更多分子时,溶质均匀充满容器的趋势愈加明显。图三:当有庞大数量的溶质分子时,一切的随机运动都不复可见:溶质呈现由高浓度区往低浓度区扩散的现象,遵守菲克定律。

今考虑两个等温且有能力交换粒子的系统,S1与S2。如果系统势能有发生交换;例如μ12(μ为化学势),则系统S1至系统S2将有能量流产生,因为自然倾向降低能量并使值极大化。

分子扩散一般都以菲克定律作为其数学描述。

应用

扩散是许多物理、化学及生物学科重要的基础。一些应用扩散的例子如下:

重要性

 
混合物中两种物质的扩散现象之示意图

扩散是输送现象的一部分,是一种较缓慢的质传方式。

生物学

细胞生物学中,扩散是细胞间传送必要物质(如氨基酸)的主要方式。[1]溶剂(如)在半透膜上的扩散行为则被称为渗透

气体分子扩散

物质于静止流体或跨越稳流流体之流线的输送方式为分子扩散。两相邻容器以隔墙隔开,并各自装有两假想之气体A与B,于容器中随意运动着。倘若隔墙被移除,部分气体A将移往原来被气体B占据的区域。相反地,B分子也将移往原来被纯A分子占据的区域。最终,两种分子达成完全混合。在此之前,A、B之浓度皆随着扩散轴向(X)逐渐变化,可以数学表示为-dCA/dx,其中CA是A的浓度。数学式前方的负号代表A浓度随着距离x的增加而减少。同样地,B浓度的变化则为-dCB/dx。分子A的扩散速率NA与浓度梯度和分子A于x方向上的平均速率相关,而这个关系得以菲克定律描述:

 (仅可用于无整体流动的情形下)

等摩尔逆向扩散

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参考资料

  1. ^ Maton, Anthea; Jean Hopkins; Susan Johnson; David LaHart; Maryanna Quon Warner; Jill D. Wright. Cells Building Blocks of Life. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall. 1997: 66–67.