Диффузия
Диффу́зия (лат. diffusio — распространение) — процесс взаимного проникновения частиц (молекул, атомов, ионов) одного вещества между частицами другого вследствие их хаотичного движения. Диффузия является одним из фундаментальных явлений переноса в физике, химии и биологии[1].
Физическая сущность и механизм
В основе диффузии лежит постоянное и беспорядочное движение частиц, составляющих вещество. Диффузии подвержены все агрегатные состояния вещества. В газах, где расстояния между частицами велики, диффузия происходит наиболее быстро. В жидкостях, где частицы находятся плотнее, процесс замедляется. В твёрдых телах диффузия протекает значительно медленнее, так как частицы совершают лишь колебания около положений равновесия в кристаллической решётке[1].
Направление диффузии всегда определяется градиентом концентрации — переходом частиц из области с более высокой их концентрацией в область с более низкой. В конечном итоге, процесс стремится к достижению состояния равновесия, при котором концентрация вещества выравнивается по всему занимаемому объёму, и перенос частиц в среднем прекращается.
Факторы, влияющие на скорость диффузии[2]:
- Агрегатное состояние вещества: скорость диффузии максимальна в газах, значительно ниже в жидкостях и крайне мала в твёрдых телах.
- Температура: с повышением температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, что приводит к интенсификации их теплового движения.
- Концентрация градиента: чем больше разница в концентрациях, тем выше скорость диффузии.
- Размер и масса частиц: более лёгкие и мелкие частицы диффундируют быстрее.
- Наличие внешних полей: диффузия может ускоряться под действием внешних сил[3].
Основные законы диффузии
Математическое описание диффузионных процессов было дано в 1855 году немецким учёным Адольфом Фиком. Он сформулировал два закона, основанных на законах теплопроводности, которые позволяют количественно описать скорость и направление протекания диффузии в данной системе[4].
Первый закон Фика. Движение частиц из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (диффузионный поток) прямо пропорционально градиенту концентрации частиц: J = — D(dC/dx), где J — плотность потока вещества, D — коэффициент диффузии, dC/dx —градиент концентрации. Знак «—» указывает на то, что что поток вещества направлен в сторону убывания концентрации. Второй закон Фика описывает нестационарный случай диффузии изменения градиента концентрации с течением времени[4].
Виды диффузии
Виды диффузии можно разделить на несколько категорий: по типу перемещающихся частиц (самодиффузия и химическая диффузия), по движущей силе (концентрационная, термодиффузия, электродиффузия) или агрегатному состоянию (в газах, жидкостях и твёрдых телах). Выделяют также свободную диффузию, которая происходит под действием теплового движения частиц, и вынужденную диффузию, вызываемую внешними силами[5].
При самодиффузии происходит смешение частиц одного вещества, протекающее без привлечения любого воздействия со стороны. В химической диффузии перемещение атомов одного элемента перемещаются относительно атомов другого элемента. Концентрационная диффузия представляет собой перемещение веществ под некоторым воздействием градиента концентрации. В термодиффузии происходит перенос вещества при влиянием на него определенных температур. Электродиффузия представляет собой процесс, обусловленный действием градиента электрического поля[5].
Значение и примеры диффузии
Диффузия играет немаловажную роль в многочисленных биологических, природных и промышленных процессах[6].
- В биологии и физиологии: газообмен в лёгких и тканях (диффузия кислорода и углекислого газа), питание клеток и вывод продуктов метаболизма, процесс оплодотворения, распространение нервных импульсов через синапсы.
- В технике и промышленности: цементация и легирование сталей, получение полупроводниковых структур, очистка газов и жидкостей, мембранные технологии (опреснение воды), сварка и сплавы металлов.
- В природе: распространение запахов в воздухе, растворение солей в воде, перемешивание речных вод при впадении в море, обмен газами в атмосфере и гидросфере, загрязнение воздуха производственными отходами.
- В быту: заваривание чая, приготовление пищи, склеивание материалов, впитывание пота в одежду, окрашивание волос.
Примечания
- ↑ 1,0 1,1 Кузнецов Н. М. Диффузия. Большая российская энциклопедия (2 июня 2023). Дата обращения: 2 декабря 2025.
- ↑ Диффузия. Комсомольская правда. Дата обращения: 2 декабря 2025.
- ↑ Ашкинази Л. Диффузия: кого, куда и вообще // «Квант» : журнал. — 2018. — Декабрь (№ 12).
- ↑ 4,0 4,1 Попов П. В. Диффузия. — М.: МФТИ, 2016. — С. 20.
- ↑ 5,0 5,1 Диффузии веществ. HomeWork. Дата обращения: 2 декабря 2025.
- ↑ Гирфанов Т. А., Комарова Н. Г., Кирюхин А. Ю. Теория и примеры диффузии в газах, жидкостях и твердых телах // «Наука через призму времени» : журнал. — 2020. — Август (№ 8).