Dyfuzja

Ten artykuł dotyczy nauk przyrodniczych. Zobacz też: dyfuzja kulturowa.

Ten artykuł od 2018-12 wymaga zweryfikowania podanych informacji.

Należy podać wiarygodne źródła w formie przypisów bibliograficznych.
Część lub nawet wszystkie informacje w artykule mogą być nieprawdziwe. Jako pozbawione źródeł mogą zostać zakwestionowane i usunięte.
Sprawdź w źródłach: Encyklopedia PWN • Google Books • Google Scholar • Federacja Bibliotek Cyfrowych • BazHum • BazTech • RCIN • Internet Archive (texts / inlibrary)
Dokładniejsze informacje o tym, co należy poprawić, być może znajdują się w dyskusji tego artykułu.
Po wyeliminowaniu niedoskonałości należy usunąć szablon {{Dopracować}} z tego artykułu.

Dyfuzja (łac. diffusio „rozprzestrzenianie”) – proces samorzutnego rozprzestrzeniania i przenikania się cząsteczek lub energii w każdym ośrodku (o temperaturze ${\displaystyle T}$ > 0 K) (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym itd.), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka^[1].

Ze względu na skalę zjawiska, rozpatruje się dwa podstawowe rodzaje dyfuzji:

• dyfuzja śledzona (ang. tracer diffusion) – proces mikroskopowy polegający na chaotycznym ruchu pojedynczej („śledzonej”) cząsteczki (przykład: ruchy Browna),
• dyfuzja chemiczna – proces makroskopowy obejmujący makroskopowe ilości materii (lub energii), zwykle opisywany równaniem dyfuzji i prowadzący do wyrównywania stężenia (lub temperatury) każdej z dyfundujących substancji w całym układzie.

Podstawowymi prawami opisującymi dyfuzję są prawa Ficka. Pierwsze prawo Ficka stwierdza że:

strumień cząstek dyfuzji jest proporcjonalny do ujemnego gradientu stężenia

${\displaystyle J=-D\partial _{x}\varphi ,}$

gdzie:

${\displaystyle J}$ – gęstość strumienia składnika (masa molowa składnika przepływająca przez jednostkowy przekrój w jednostce czasu),

${\displaystyle D}$ – współczynnik dyfuzji,

${\displaystyle \varphi }$ – stężenie [(ilość substancji) na jednostkę objętości],

${\displaystyle x}$ – współrzędna osi, wzdłuż której zachodzi dyfuzja.

W ogólnym, trójwymiarowym przypadku wzór można zapisać niezależnie od współrzędnych:

${\displaystyle J=-D\nabla \varphi .}$

Dla chemicznej dyfuzji materii (masy) współczynnik dyfuzji jest nazywany współczynnikiem dyfuzji molekularnej. Dla tej samej substancji, w tych samych warunkach, współczynniki dyfuzji śledzonej i chemicznej są zwykle różne, gdyż drugi z tych współczynników uwzględnia oddziaływania i korelacje pomiędzy trajektoriami poszczególnych dyfundujących cząsteczek.

Dyfuzja zachodzi zarówno w stanie równowagi, jak i poza równowagą termodynamiczną. Dyfuzję śledzoną bada się zwykle w stanie równowagi, a dyfuzję chemiczną w układach nierównowagowych. Dyfuzja w stanie braku równowagi termodynamicznej jest procesem nieodwracalnym, który przybliża stan układu do stanu równowagi termodynamicznej i zwiększa jego entropię. Dyfuzja chemiczna zachodząca w stanie równowagi zwana jest samodyfuzją.

Dyfuzja materii jest zjawiskiem aktywowanym termicznie – zwiększenie temperatury zwykle prowadzi do zwiększenia tempa dyfuzji. W przypadku większości ciał stałych zależność tę opisuje równanie Arrheniusa.

Dyfuzja jest jednym z mechanizmów transportu. W tym kontekście jej bardzo charakterystyczną cechą jest to, że typowa odległość ${\displaystyle R,}$ o którą przemieszczana jest substancja z obszaru o podwyższonym stężeniu po dostatecznie długim czasie ${\displaystyle t}$ jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z czasu:

${\displaystyle R(t)\sim {\sqrt {t}}.}$

Dla większości substancji powyższa zależność obowiązuje (dla dostatecznie dużych czasów ${\displaystyle t}$) nawet wtedy, gdy współczynnik dyfuzji danej substancji zależy od jej stężenia. W pewnych układach obserwuje się jednak procesy, które w obrazie mikroskopowym składają się z szeregu charakterystycznych dla dyfuzji „chaotycznych” zderzeń, w których to jednak procesach obowiązuje zależność

${\displaystyle R(t)\sim t^{\alpha },\;\alpha \neq 1/2.}$

W takich przypadkach mówi się o dyfuzji anomalnej.

Dyfuzja może też dotyczyć energii, jej szybkość jest określona przez współczynnik dyfuzji termicznej. Na przykład źródłem niekonwekcyjnego i nieradiacyjnego transportu ciepła jest wymiana energii kinetycznej pomiędzy chaotycznie zderzającymi się cząsteczkami, stąd też równanie przewodnictwa cieplnego w ciałach stałych jest tożsame równaniu dyfuzji.

W przypadku dyfuzji pędu, o szybkości procesu dyfuzji decyduje współczynnik dyfuzji zwany lepkością kinematyczną, czyli współczynnikiem tarcia wewnętrznego.