5Первый и второй законы Фика, диффузия, движущая сила диффузии, связь коэффициента диффузии с размерами частиц.
Диффузия молекул, атомов, ионов, дисперсных частиц – один из основных процессов, происходящих в газах, жидкостях и твердых телах.
Диффузия – самопроизвольный процесс выравнивания концентрации какого-либо вещества в газе, жидкости или твердом теле. Диффундирующее вещество может находиться в виде отдельных атомов, молекул и ионов, дисперсных частиц. Диффузия дисперсных частиц происходит под влиянием броуновского движения и ведет к увеличению энтропии системы.
Основной закон диффузии (з-н Фика) определяет кол-во вещества dm, которое переносится через площадь Ω (площадь поперечного сечения диффузионного потока) за время dt под действием градиента концентрации gradC = –dC/dx (х – направление (ось координат), в котором происходит диффузия): dm = –D(dC/dx)Ωdt .
Для расчета диффузии дисперсных частиц в дисперсионной среде (жидкости) следует пользоваться концентрацией частиц (ν, м-3). Тогда закон Фика примет вид:
dm = –D(dν/dx)*Ωdt.
Количество вещества id = dm/(Ωdt), которое переносится диффузией в единицу времени через единицу площади, называют удельным диффузионным потоком. Тогда:
id = –D(dν/dx). Это уравнение дает макроскопическое (феноменологическое) определение коэффициента диффузии (D) дисперсных частиц: коэффициент диффузии равен массе дисперсной фазы вещества, которое продиффундировало через единицу площади в единицу времени при единичном градиенте концентрации dν/dx = 1 м-4.
Физический смысл коэффициента диффузии дисперсных частиц раскрывает уравнение Эйнштейна: D = kBT/(6πηr), где kB - постоянная Больмана (Дж/К), Т – температура (К), η – вязкость дисперсионной среды (Па*с), r – радиус дисперсной частицы. Важнейшее следствие – коэффициент диффузии обратно пропорционален радиусы частицы r. Поэтому диффузия протекает довольно интенсивно только в ультрадисперсных и высокодисперсных системах. Коэфф. дифф. дисперсных частиц размером 1-100 нм в воде при комнатной температуре изменяется примерно от 4*10-14 до 4*10-10 м2/с.
Одно из наиболее важных следствий диффузии – в высокодисперсных системах устанавливается динамическое равновесие между оседанием (седиментацией) частиц и их диффузией в противоположном направлении. Это равновесие обеспечивает длительную седиментационную устойчивость высокодисперсных систем (напр., коллоидных растворов) в поле силы тяжести.
Второй закон Фика учитывает то, что поток атомов в процессе диффузии может меняться, т. е. принимает во внимание нестационарность потока. При этом скорость накопления диффундирующего вещества в данном объеме является разностью между входящим и выходящим потоками за единичное время. Для двух параллельных плоскостей, площадь каждой из которых равна единице, а расстояние между ними dx, поток через первую плоскость будет соответствовать выражению id = –D(dν/dx), а через вторую −
Разность этих двух потоков составляет
При условии не зависящего от концентрации коэффициента диффузии получим второй закон Фика для одномерной диффузии в дифференциальной форме:
Концентрация ν здесь зависит от времени t и от глубины диффузии x.
Примеры:
1. Распространение запахов,
2. смешивание разнородных жидкостей,
3. растворение твердых тел в жидкостях,
4. сварка металлов при их расплавлении или под давлением.
6.Проникновение растворённого вещества в клетку может быть выражено законом Фика, в котором значение коэффициента Диффузии заменено коэффициентом проницаемости мембраны, а градиент концентрации — разностью концентраций вещества по обе стороны мембраны.
7. Диффузионное проникновение в клетку газов и воды (Осмос) также описывается законом Фика; при этом значения разности концентраций заменяются значениями разности давлений газов и осмотических давлений внутри и вне клетки.
Диффузия кислорода из лёгких в кровь и из крови в ткани, всасывание продуктов пищеварения из кишечника, поглощение элементов минерального питания клетками корневых волосков, диффузия ионов при генерировании биоэлектрических импульсов нервными и мышечными клетками).
8. Различная скорость диффузии ионов через клеточные мембраны — один из физических факторов, влияющих на избирательное накопление элементов в клетках организма.