分子扩散

✍ dations ◷ 2025-06-26 21:56:51 #分子扩散

分子扩散（英语：molecular diffusion），通常简称扩散，是任何粒子（气体或液体）于绝对零度以上之环境下的热力学运动。本行为的速率是温度、流体黏度以及粒子大小（质量）的函数。扩散解释高浓度与低浓度之间存在分子净通量的原因。一旦浓度相等，分子虽持续运动，但由于浓度梯度已不复存在，分子遂停止扩散，改由自扩散主导分子的随机运动。扩散的结局是材料逐渐混合，使分子分布达成均匀。由于分子依然持续运动，但平衡也已经建立，因此分子扩散的最终状态被称为“动态平衡”。在具有均匀温度的相态中，因不受外部合力影响，扩散过程最终将达到完全混合。今考虑两个等温且有能力交换粒子的系统，S1与S2。如果系统势能有发生交换；例如μ1>μ2（μ为化学势），则系统S1至系统S2将有能量流产生，因为自然倾向降低能量并使熵值极大化。分子扩散一般都以菲克定律作为其数学描述。扩散是许多物理、化学及生物学科重要的基础。一些应用扩散的例子如下：扩散是输送现象的一部分，是一种较缓慢的质传方式。于细胞生物学中，扩散是细胞间传送必要物质（如氨基酸）的主要方式。溶剂（如水）在半透膜上的扩散行为则被称为渗透。物质于静止流体或跨越稳流流体之流线的输送方式为分子扩散。两相邻容器以隔墙隔开，并各自装有两假想之气体A与B，于容器中随意运动着。倘若隔墙被移除，部分气体A将移往原来被气体B占据的区域。相反地，B分子也将移往原来被纯A分子占据的区域。最终，两种分子达成完全混合。在此之前，A、B之浓度皆随着扩散轴向（X）逐渐变化，可以数学表示为-dCA/dx，其中CA是A的浓度。数学式前方的负号代表A浓度随着距离x的增加而减少。同样地，B浓度的变化则为-dCB/dx。分子A的扩散速率NA与浓度梯度和分子A于x方向上的平均速率相关，而这个关系得以菲克定律描述：

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