42. Понятие диффузии. Первый и второй законы Фика. Физический смысл коэффициента диффузии.

Диффузией называется самопроизвольный процесс переноса вещества. приводящий к выравниванию концентраций и химического потенциала в результате теплового движения молекул, ионов и частиц. Диффузия идет вследствие тенденции молекул мигрировать из области высоких концентраций в область низких концентраций. Диффузия является необратимым процессом, сопровождающимся ростом энтропии, так как он переводит систему в наиболее неупорядоченное состояние. В однокомпонентной системе говорят о самодиффузии вследствие теплового движения частиц или молекул. В многокомпонентных системах говорят о взаимодиффузии, приводящей к выравниванию концентраций.

Перенос массы в соответствии с общей теорией потоков описывается уравнением

Первый закон Фика характеризует стационарный процесс диффузии (зависит только от разности аргументов). Возьмем ряд расстояний x, которым соответствуют значения концентрации c.

Для стационарного процесса разность последующего и предыдущего значений x и c постоянна для всего ряда

Коэффициент диффузии численно равен количеству вещества, продиффундировавшего через единицу площади в единицу времени при градиенте концентрации, равном единице.

Коэффициент диффузии для газов или веществ, слабо взаимодействующих со средой, в которой происходит диффузия, не зависит от концентрации.

Второй закон Фика характеризует нестационарный процесс диффузии и описывает накопление вещества в различных точках пространства в зависимости от времени поглощения вещества твердым телом, то есть сорбцию:

, где В - коэффициент трения по Стоксу.

43. Диффузионно-седиментационное равновесие. Вывод гипсометрического закона

В соответствии с первым законом Фика поток диффузии Поток седиментации , где U - скорость седиментации, c - концентрация.

При равномерном оседании вес частицы g уравновешивается силой трения BU, где B - коэффициент трения. Отсюда:

Если соотношение 1, то системы грубо дисперсны, седиментационно неустойчивы, диффузию для них можно не принимать во внимание. Если 1, то системы обладают высокой седиментационной устойчивостью. В расчет можно принимать только диффузию, а седиментация ничтожна. Такое положение характерно для истинных растворов. Если 1, то то следует учитывать оба процесса: седиментацию и диффузию, при этом устанавливается равновесное распределение частиц дисперсной фазы по высоте. Такое положение характерно для коллоидных систем и растворов высокомолекулярных соединений.

При условии равновесия

Так как градиент концентрации изменяется по высоте, то dx=dh. После интегрирования от c_h до c₀ и от нуля до h получим:

Это выражение известно под названием гипсометрического закона. Левая часть уравнения представляет собой работу обратимого изотермического расширения моля газа от давления до давления . Правая часть уравнения является работой поднятия моля газа на высоту .

Гипсометрический закон для золей записывается в следующем виде:

1V   - поправка на плавучесть.