分子扩散

粒子扩散，通常简称为扩散，是所有（液体或气体）粒子在xxx零以上温度下的热运动。 这种运动的速率是温度、流体粘度和颗粒大小（质量）的函数。 扩散解释了分子从较高浓度区域到较低浓度区域的净通量。 一旦浓度相等，分子继续移动，但由于没有浓度梯度，分子扩散过程停止，取而代之的是自扩散过程，源于分子的随机运动。 扩散的结果是材料逐渐混合，使得分子分布均匀。 由于分子仍在运动，但已经建立了平衡，所以分子扩散的结果称为动态平衡。 在温度均匀的相中，没有外部净力作用在颗粒上，扩散过程最终会导致完全混合。

考虑两个系统； S1 和 S2 处于相同温度并且能够交换粒子。 如果系统的势能发生变化； 例如μ1>μ2（μ是化学势）能量会从S1流向S2，因为自然界总是喜欢低能量和xxx熵。

分子扩散通常使用菲克扩散定律在数学上进行描述。

扩散在物理学、化学和生物学的许多学科中都具有根本的重要性。 扩散的一些示例应用：

• 烧结生产固体材料（粉末冶金、陶瓷生产）
• 化学反应器设计
• 化工催化剂设计
• 可以对钢进行扩散（例如，加入碳或氮）以改变其性能
• 半导体生产过程中的掺杂。

扩散是传输现象的一部分。 在质量传递机制中，分子扩散被认为是较慢的一种。

在细胞生物学中，扩散是必需物质（例如细胞内的氨基酸）的主要运输形式。 溶剂（例如水）通过半透膜的扩散被归类为渗透。

除了体积或活性过程之外，新陈代谢和呼吸作用部分依赖于扩散。 例如，在哺乳动物的肺泡中，由于肺泡-毛细血管膜的分压不同，氧气扩散到血液中而二氧化碳扩散出去。 肺有很大的表面积以促进这种气体交换过程。

从根本上说，扩散有两种类型：

• 示踪剂扩散和自扩散，这是在没有浓度（或化学势）梯度的情况下发生的分子自发混合。 可以使用同位素示踪剂跟踪这种类型的扩散，因此得名。 通常假设示踪剂扩散与自扩散相同（假设没有显着的同位素效应）。 这种扩散可以在平衡状态下发生。 脉冲场梯度 (PFG) NMR 是一种用于测量自扩散系数的出色方法，其中不需要同位素示踪剂。 在所谓的 NMR 自旋回波实验中，该技术使用核自旋进动阶段，允许区分化学和物理上完全相同的物种，例如 在液相中，例如液态水中的水分子。 水的自扩散系数已通过实验以高精度确定，因此通常用作其他液体测量的参考值。 纯水的自扩散系数在 25 °C 时为 2.299·10−9 m2·s−1，在 4 °C 时为 1.261·10−9 m2·s−1。
• 化学扩散在存在浓度（或化学势）梯度的情况下发生，并导致质量的净传输。 这是扩散方程所描述的过程。 这种扩散始终是一个非平衡过程，增加了系统的熵，使系统更接近平衡。

这两种扩散的扩散系数通常不同，因为化学扩散的扩散系数是二元的，它包括由于不同扩散物质运动的相关性而产生的影响。

因为化学扩散是一个净传输过程，它发生的系统不是平衡系统（即它还没有静止）。 经典热力学的许多结果并不容易应用于非平衡系统。 然而，有时会出现所谓的准稳态，其中扩散过程不会随时间变化，经典结果可能在局部应用。 顾名思义，这个过程不是真正的平衡，因为系统仍在发展。