Difuzija

Iz Wikipedije, proste enciklopedije

Difuzíja je spontano razširjanje snovi, toplote ali gibalne količine. Pojav lahko opazimo, če kanemo kapljico barvila v posodo z mirujočo čisto vodo, ali pri dimu, ki se dviga iz dimnika in porazgublja v zraku. V obeh primerih je difuzija rezultat turbulentnega gibanja tekočine, ne pa kemijskih reakcij ali delovanja zunanjih sil. Za različne mehanizme prenosa snovi prek celične membrane, ki jih poganja difuzija, se je v celični biologiji uveljavil izraz pasivni transport.

Vsebina

1 Fizikalne osnove
2 Difuzija v trdnih snoveh
- 2.1 Intersticijska difuzija
- 2.2 Substitucijska difuzija

[uredi] Fizikalne osnove

Difuzija je entropijsko gnan proces, ki poteka, vse dokler ni doseženo termodinamsko ravnovesje. Pri stalnem tlaku p in temperaturi T je torej difuzija sorazmerna gradientu kemijskega potenciala µ, sorazmernostni faktor pa je difuzijska konstanta D:

$J = - D \left(\frac{\partial \mu}{\partial x}\right)_{p,T}$

V večini primerov je kemijski potencial premo sorazmeren koncentraciji c, kar vodi do Fickovih zakonov. Sorazmernost odpove pri zelo razredčenih raztopinah, kjer je kemijski potencial sorazmeren logaritmu koncentracije.

[uredi] Prvi Fickov zakon

$j = - D \frac{\partial c}{\partial x}$

Prvi Fickov zakon ima podobno obliko kot drugi zakoni, ki opisujejo transportne pojave: gostota masnega toka j je premo sorazmeren koncentracijskemu gradientu, sorazmernostni faktor je difuzijska konstanta D.

[uredi] Drugi Fickov zakon

$\frac{\partial c}{\partial t} = D \frac{\partial^2 c}{\partial x^2}$

Drugi Fickov zakon ali difuzijsko enačbo izpeljemo iz prvega, če upoštevamo še kontinuitetno enačbo:

$\frac{\partial c}{\partial t} = -\nabla\mathbf{j}$

[uredi] Difuzijska hitrost plinov

Difuzijska hitrost plinov je bistveno odvisna od molske mase plina: plini z manjšo molsko maso se razširjajo hitreje od plinov z večjo molsko maso.

[uredi] Fokker-Planckova enačba

[uredi] Difuzija v trdnih snoveh

Tudi v trdnih snoveh se atomi lahko premikajo, kar se zdi mnogim presenetljivo. Osnovni pogoj za to je le, da je temperatura dovolj visoka; nekje nad 0,3 tališča. To pomeni, da je pri sobni temperaturi (približno 300 K) difuzija v bakru, ki ima tališče pri 1360 K, zanemarljiva, v svincu, ki ima tališče pri 600 K, pa ne! Brez difuzije v trdnem stanju toplotna obdelava kovinskih in keramičnih materialov ne bi bila mogoča.

V trdnem stanju ločimo dva glavna mehanizma premikanja atomov:

intersticijska difuzija in
substitucijska difuzija.

[uredi] Intersticijska difuzija

Predvsem za kovinske atome lahko rečemo, da imajo obliko pravilne krogle. V trdnem stanju so atomi navadno zloženi tako gosto, kot je le mogoče, vendar kljub temu ostanejo med njimi prazni prostori, ki jih imenujemo vrzeli ali intersticije. Ta mesta lahko zasedejo atomi, ki so za vsaj 40% manjši od atomov osnovne kovine. Pri dovolj visoki temperaturi ti intersticijski atomi preskakujejo iz vrzeli v vrzel. To praktično izkoriščamo pri naogljičenju in nadušičenju površine jekla (toplotni obdelavi cementiranje in nitriranje).

Pojasnilo k sliki: Intersticijski atom lahko preskakuje iz ene vrzeli v drugo (sosednjo). Pri tem se morajo atomi osnove razmakniti. Za to je potrebna energija, ki jo imenujemo migracijska energija. Vir energije je toplotna energija, ki narašča s temperaturo. To tudi pomeni, da število preskokov in s tem hitrost difuzije naraščata s temperaturo.

[uredi] Substitucijska difuzija

To je mehanizem premikanja atomov v čistih kovinah (samodifuzija) ali tujih atomov, ki so podobne velikosti ali večji kot osnovni atom. Ti atomi zasedajo mesta v kristalni mreži. Na sosednje mesto se lahko premaknejo le, če imajo dovolj energije in če je to mesto prazno – tam je točkasta kristalna napaka praznina.