Moleküler difüzyon - Molecular diffusion
Moleküler difüzyon , genellikle basitçe difüzyon olarak adlandırılır , mutlak sıfırın üzerindeki sıcaklıklarda tüm (sıvı veya gaz) parçacıkların termal hareketidir . Bu hareketin hızı, sıcaklığın, akışkanın viskozitesinin ve parçacıkların boyutunun (kütlesinin) bir fonksiyonudur . Difüzyon , moleküllerin daha yüksek konsantrasyonlu bir bölgeden daha düşük konsantrasyonlu bir bölgeye net akışını açıklar . Konsantrasyonlar eşit olduğunda moleküller hareket etmeye devam eder, ancak konsantrasyon gradyanı olmadığından moleküler difüzyon süreci durmuştur ve bunun yerine moleküllerin rastgele hareketinden kaynaklanan kendi kendine difüzyon süreci tarafından yönetilir . Difüzyonun sonucu, moleküllerin dağılımının düzgün olacağı şekilde malzemenin kademeli olarak karıştırılmasıdır. Moleküller hala hareket halindeyken, ancak bir denge kurulduğundan, moleküler difüzyonun sonucuna "dinamik denge" denir. Tek tip sıcaklığa sahip bir fazda , partiküller üzerinde etkiyen dış net kuvvetlerin olmadığı bir fazda , difüzyon süreci sonunda tam karıştırma ile sonuçlanacaktır.
İki sistem düşünün; S 1 ve S 2 aynı sıcaklıkta ve partikül alışverişi yapabilir . Bir sistemin potansiyel enerjisinde bir değişiklik varsa ; örneğin μ 1 > μ 2 (μ olan kimyasal potansiyeli ) bir enerji akışı S'den meydana gelecek 1 S 2 doğa her zaman düşük enerji ve en fazla tercih nedeni, entropi .
Moleküler difüzyon tipik olarak Fick'in difüzyon yasaları kullanılarak matematiksel olarak tanımlanır .
Uygulamalar
Difüzyon, birçok fizik, kimya ve biyoloji disiplininde temel öneme sahiptir. Difüzyonun bazı örnek uygulamaları:
- Katı malzemeler üretmek için sinterleme ( toz metalurjisi , seramik üretimi )
- Kimyasal reaktör tasarımı
- Kimya endüstrisinde katalizör tasarımı
- Çelik , özelliklerini değiştirmek için yayılabilir (örneğin, karbon veya nitrojen ile)
- Yarı iletkenlerin üretimi sırasında doping .
Önemi
Difüzyon, taşınım fenomeninin bir parçasıdır . Kütle taşıma mekanizmalarından moleküler difüzyon daha yavaş olarak bilinir.
Biyoloji
Olarak , hücre biyolojisi , difüzyon gibi gerekli malzeme için bir taşıma ana form amino asitlerin hücreler içinde. Su gibi çözücülerin yarı geçirgen bir zardan difüzyonu ozmoz olarak sınıflandırılır .
Metabolizma ve solunum , toplu veya aktif süreçlere ek olarak kısmen difüzyona dayanır. Örneğin, alveol bölgesinin memeli akciğer bağlı alveoler-kapiller membran boyunca kısmi basınçları farklılıklardan, oksijen ve kan içine dağılır karbondioksit üzerinden yayar. Akciğerler, bu gaz değişim sürecini kolaylaştırmak için geniş bir yüzey alanı içerir.
İzleyici, öz ve kimyasal difüzyon
Temel olarak, iki tür difüzyon ayırt edilir:
- Konsantrasyon (veya kimyasal potansiyel) gradyanı yokluğunda gerçekleşen moleküllerin kendiliğinden karışması olan İzleyici difüzyon ve Kendinden difüzyon . Bu tür difüzyon, izotopik izleyiciler kullanılarak takip edilebilir , dolayısıyla adı. İzleyici difüzyonunun genellikle kendi kendine difüzyonla aynı olduğu varsayılır (önemli bir izotopik etki olmadığı varsayılarak ). Bu difüzyon denge altında gerçekleşebilir. Ölçümü için mükemmel bir yöntem kendi kendine difüzyon katsayıları olan darbeli alan gradyanı (PFG) NMR herhangi bir izotop izleyiciler ihtiyaç vardır. Sözde bir NMR spin eko deneyinde bu teknik, örneğin sıvı fazdaki, örneğin sıvı su içindeki su molekülleri gibi kimyasal ve fiziksel olarak tamamen özdeş türlerin ayırt edilmesine izin vererek nükleer spin presesyon fazını kullanır. Suyun kendi kendine yayılma katsayısı deneysel olarak yüksek doğrulukla belirlenmiştir ve bu nedenle diğer sıvılar üzerindeki ölçümler için genellikle bir referans değeri olarak hizmet eder. Temiz su kendi kendine difüzyon katsayısı: 2.299 · 10 -9 m 2 · s -1 25 ° C 'de ve 1.261 · 10 -9 m 2 -s -1 , 4 ° C'de karıştırıldı.
- Kimyasal difüzyon , konsantrasyon (veya kimyasal potansiyel) gradyanı varlığında meydana gelir ve net kütle taşınımı ile sonuçlanır. Bu, difüzyon denklemi tarafından açıklanan süreçtir. Bu difüzyon her zaman denge dışı bir süreçtir, sistem entropisini arttırır ve sistemi dengeye yaklaştırır.
Difüzyon katsayıları kimyasal difüzyon için difüzyon katsayısı ikili ve bunun nedeni farklı difüzyon türlerin hareketinin korelasyon efekt içerdiğinden difüzyon bu iki tip genellikle farklıdır.
Denge dışı sistem
Kimyasal difüzyon net bir taşıma süreci olduğundan, içinde bulunduğu sistem bir denge sistemi değildir (yani henüz durağan değildir). Klasik termodinamikteki birçok sonuç, denge dışı sistemlere kolayca uygulanmaz. Bununla birlikte, bazen, klasik sonuçların yerel olarak uygulanabileceği, difüzyon sürecinin zamanla değişmediği yarı-kararlı durumlar meydana gelir. Adından da anlaşılacağı gibi, sistem hala evrimleşmekte olduğundan bu süreç gerçek bir denge değildir.
Denge dışı akışkan sistemleri, Landau-Lifshitz dalgalı hidrodinamiği ile başarılı bir şekilde modellenebilir. Bu teorik çerçevede difüzyon, boyutları moleküler ölçekten makroskopik ölçeğe kadar değişen dalgalanmalardan kaynaklanmaktadır.
Kimyasal difüzyon bir sistemin entropisini arttırır , yani difüzyon kendiliğinden ve geri dönüşü olmayan bir süreçtir. Parçacıklar difüzyon yoluyla yayılabilir, ancak kendiliğinden yeniden düzenlenmezler (sistemde değişiklik olmaması, yeni kimyasal bağların oluşmadığı varsayılarak ve parçacık üzerinde etki eden dış kuvvetlerin olmadığı varsayılır).
Konsantrasyona bağlı "kolektif" difüzyon
Toplu difüzyon , çok sayıda partikülün, çoğunlukla bir çözücü içinde difüzyonudur .
Tek bir parçacığın difüzyonu olan kahverengi hareketin aksine , parçacıklar çözücüleri ile ideal bir karışım oluşturmadıkça parçacıklar arasındaki etkileşimlerin dikkate alınması gerekebilir (ideal karışım koşulları, çözücü ile parçacıklar arasındaki etkileşimlerin olduğu duruma karşılık gelir). parçacıklar arasındaki etkileşimlerle ve çözücü molekülleri arasındaki etkileşimlerle aynıdır; bu durumda parçacıklar çözücü içindeyken etkileşime girmezler).
İdeal bir karışım durumunda, partikül difüzyon denklemi doğrudur ve difüzyon katsayısı D partikül difüzyon denklemindeki difüzyon hızı partikül konsantrasyonundan bağımsızdır. Diğer durumlarda, çözücü içindeki partiküller arasında ortaya çıkan etkileşimler aşağıdaki etkileri hesaba katacaktır:
- partikül difüzyon denklemindeki difüzyon katsayısı D konsantrasyona bağlı hale gelir. Partiküller arasında çekici bir etkileşim için, konsantrasyon arttıkça difüzyon katsayısı azalma eğilimindedir. Parçacıklar arasındaki itici bir etkileşim için, konsantrasyon arttıkça difüzyon katsayısı artma eğilimindedir.
- Parçacıklar arasında çekici bir etkileşim olması durumunda, parçacıklar, konsantrasyonları belirli bir eşiğin üzerindeyse , birleşme ve kümeler oluşturma eğilimi gösterirler . Bu, çökeltme kimyasal reaksiyonuna eşdeğerdir (ve dikkate alınan difüzyon partikülleri çözeltideki kimyasal moleküllerse, o zaman bir çökelmedir ).
Gazların moleküler difüzyonu
Malzemenin durgun sıvı içinde veya laminer bir akışta bir sıvının akış çizgileri boyunca taşınması moleküler difüzyonla gerçekleşir. A veya B saf gazlarını içeren bir bölme ile ayrılmış iki bitişik bölme düşünülebilir. Tüm moleküllerin rastgele hareketi meydana gelir, böylece bir süre sonra moleküller orijinal konumlarından uzakta bulunur. Bölme kaldırılırsa, A'nın bazı molekülleri B'nin işgal ettiği bölgeye doğru hareket eder, sayıları dikkate alınan bölgedeki moleküllerin sayısına bağlıdır. Aynı zamanda, B molekülleri daha önce saf A tarafından işgal edilen rejimlere doğru yayılır. Son olarak, tam karışma meydana gelir. Bu zaman noktasından önce, orijinal bölmeleri birleştiren x ile gösterilen bir eksen boyunca A konsantrasyonunda kademeli bir değişiklik meydana gelir. -Dc matematiksel olarak ifade edilen bu varyasyon, A Cı-/ dx, bir A konsantrasyonu x mesafesi arttıkça azalır, çünkü negatif işaret ortaya çıkar A. konsantrasyonudur. Benzer şekilde, B gazının konsantrasyonundaki değişiklik -dC B / dx'dir . A, N difüzyon hızı A , konsantrasyon gradyanı ve ortalama hızına bağlıdır ki x yönünde bir hareket molekülleri. Bu ilişki Fick Yasası ile ifade edilir.
- (yalnızca toplu hareket olmaması için geçerlidir)
burada D, ortalama moleküler hız ile orantılı ve dolayısıyla gazların sıcaklığına ve basıncına bağlı olarak A'dan B'ye yayılma gücüdür. Difüzyon hızı N A , genellikle birim zamanda birim alana yayılan mol sayısı olarak ifade edilir. Isı transferinin temel denkleminde olduğu gibi, bu, kuvvet hızının, konsantrasyon gradyanı olan itici kuvvetle doğru orantılı olduğunu gösterir.
Bu temel denklem bir dizi durum için geçerlidir. Tartışmayı yalnızca, ne dC A /dx ne de dC B /dx'in zamanla değişmediği kararlı durum koşullarıyla sınırlayarak, ilk önce eşmoleküler karşı difüzyon düşünülür.
eşmoleküler karşı difüzyon
Uzunluğu dx olan bir elementte toplu akış oluşmazsa, iki ideal gazın (benzer molar hacme sahip) A ve B'nin difüzyon hızları eşit ve zıt olmalıdır, yani .
A'nın kısmi basıncı, dx mesafesi boyunca dP A kadar değişir . Benzer şekilde, B'nin kısmi basıncı dP B'yi değiştirir . Eleman boyunca toplam basınçta bir fark olmadığından (toplu akış yok),
- .
İdeal bir gaz için kısmi basınç, molar derişim ile bağıntı yoluyla ilişkilidir.
burada n A , bir V hacmindeki A gazının mol sayısıdır . Molar konsantrasyonuna olarak Cı- A eşittir , n , A / V dolayısıyla
Sonuç olarak, gaz A için,
burada D AB , A'nın B'deki yayılımıdır. Benzer şekilde,
dP A /dx=-dP B /dx olduğunu düşünürsek , bu nedenle D AB =D BA =D olduğunu kanıtlar . A'nın x 1'deki kısmi basıncı P A 1 ve x 2 , P A 2 ise , yukarıdaki denklemin integrasyonu,
B gazının karşı difüzyonu için de benzer bir denklem türetilebilir.
Ayrıca bakınız
- Difüzyon - Yüksek konsantrasyondan düşük konsantrasyona hareket
- Ambipolar difüzyon
- Anormal difüzyon - Zamanla doğrusal olmayan bir ilişki ile difüzyon süreci
- Batchelor ölçeği
- Bohm difüzyonu
- Difüzyon MRI - Manyetik rezonans görüntülemede su kullanma yöntemi
- Çift difüzyonlu konveksiyon
- Sürükleme (fizik) – Bir sıvı içinde hareket eden bir cisim üzerindeki geciktirici kuvvet
- Fick'in difüzyon yasaları – moleküler difüzyonun matematiksel açıklamaları
- Yerel saat (matematik)
- Kütle Transferi
- Kütle akışı – Belirli bir alan boyunca kütle akış hızını tanımlayan vektör miktarı
- Osmoz – kimyasal süreç
- Geçirgenlik – Bir katının içinden sıvı, gaz veya buharın nüfuz etmesi
- Göreli ısı iletimi - Isı iletimi ve benzeri difüzyon işlemlerinin özel görelilik ile uyumlu bir şekilde modellenmesi.
- Taşıma fenomenleri - Gözlemlenen ve incelenen sistemler arasında kütle, enerji ve momentum değişimi
- türbülanslı difüzyon
- Viskozite – Bir akışkanın kayma deformasyonuna karşı direnci
- sert rotor
Referanslar
Dış bağlantılar
- Difüzyon ve ozmoz gösteren bazı resimler
- Difüzyonu açıklayan bir animasyon.
- Difüzyon Denklemi'nin arkasındaki teori ve çözümü hakkında bir eğitim.
- Eğitim Amaçlı NetLogo Simülasyon Modeli (Java Applet)
- Brownian hareketi üzerine kısa film (difüzyon katsayısının hesaplanmasını içerir)
- Klasik hacim difüzyonu teorisine temel bir giriş (şekiller ve animasyonlarla birlikte)
- Nano ölçekte yayılma (şekiller ve animasyonlar ile)