简单扩散

✍ dations ◷ 2025-06-27 10:54:02 #简单扩散
扩散作用是一个基于分子热运动的输运现象,是分子通过布朗运动从高浓度区域(或高化势)向低浓度区域(或低化势)的运输的过程。它是趋向于热平衡态的驰豫过程,是熵驱动的过程。菲克定律是扩散作用的近似描述,实际过程是从高化学势区域向低化学势区域的转移。扩散作用的速率和混合物的浓度梯度一般不太大,因此通常可以用近平衡态热力学理论进行处理。扩散作用有多种微观解释,较有影响力的是分子动理论的解释和随机行走模型的解释。菲克第一定律(Fick's first law)声明:通过单位面积的粒子数率(通常称为粒子流的通量)大小正比于粒子浓度在该点的梯度,方向与梯度方向相反,其比例系数称为扩散系数。于是公式可以写为:菲克第二定律(Fick's second law)描述浓度场随时间的变化,它是连续性方程的一种,其积分形式为:由于扩散定律本质上是趋向于热平衡态的驰豫过程,因此可以引入物理学上最为成功的唯象理论——热力学理论,对其进行分析。热力学第二定律要求处于热力学平衡态的系统的某一个热力学函数达到极值,具体地说:由于 d S ≥ d Q T {displaystyle dSgeq {frac {dQ}{T}}} (其中 d Q {displaystyle dQ} 表示1-形式,而并不表示它是某个函数的全微分),在绝热封闭条件下,要求熵达到极大值;在恒温恒压条件下,要求Gibbs自由能达到极小值(在经典的p-V-T系统中进行考虑);在恒温恒容条件下,要求Helmhotz自由能达到极小值。上述条件不管使用哪一个,总可以导出热动平衡条件:力学平衡、热学平衡、化学(及相变)平衡。下面以绝热封闭条件为例进行说明:任取两个相互接触,能够进行能量和物质交流的局部热力学平衡系统,记为A,B。满足下列条件 U = U A + U B {displaystyle U=U_{A}+U_{B}} , V = V A + V B {displaystyle V=V_{A}+V_{B}} , N = N A + N B {displaystyle N=N_{A}+N_{B}} ;系统总熵为各部分之和 S = S A + S B {displaystyle S=S_{A}+S_{B}}极值条件要求(在一阶可微条件满足的前提下),有从而在不考虑重力场(以及其他外场和相互作用)的条件下,要求 μ ( x ) ≡ μ 0 {displaystyle mu (x)equiv mu _{0}} 。由此可见扩散作用的驱动力是化学势空间分布的不平衡,因此在近平衡状态下做线性近似可以得到:作为一种近平衡态的输运现象,扩散作用与其它输运现象有统一的热力学处理方式,其中最著名并且具有高度概括性的是昂萨格(Onsager)线性倒易关系。固体中载流子的运动也有扩散现象。当固体中的电子密度不平衡时,电子将从密度高的区域向密度低的区域扩散。比如用光照射一块半导体的中间,电子将在中间产生,并向两边扩散(如右图所示),并形成扩散电流,也可以用菲克定律描述。扩散系数 D {displaystyle D} 是菲克定律中的系数 J = − D ∂ n / ∂ x {displaystyle J=-D{partial n}/{partial x}} , J是单位时间单位面积的流量, n是该物质的总数, x是位置(长度)。在细胞生物学领域,扩散是细胞间必要物质(例如氨基酸)传播的主要形式。水分子通过半透膜的扩散被称作渗透。细胞也通过此方式使部分物质进出细胞膜,部分的扩散是需要能量的,不能一概而论。扩散(英语:Diffusion)是物质分子顺着浓度梯度(concentration gradient)或浓度差异移动的现象,即物质分子由高浓度区域移至低浓度区域,直到分子均匀分布为止。扩散是小分子进出细胞膜的的方式之一。细胞生物学意义上的扩散包括自由扩散(即此前所述之扩散),协助扩散两类。协助扩散则由两类膜蛋白进行辅助,一类是通道蛋白,一类是载体蛋白。在溶液反应动力学和生物化学领域,一类重要的反应是扩散控制速率的反应,这一类反应的反应很快,导致反应的速率由反应物在溶质中扩散的速率决定。极限情况是在一个半径为R的区域内,反应物的浓度为0,反应物只要接触到这一个区域的边界,反应物就会立即发生反应而消失,最终建立一个稳态。在三维的情形中,对于双分子反应,反应速率常数 k = 4 π ( D A + D B ) r A B {displaystyle k=4pi (D_{A}+D_{B})r_{AB}} ,其中 D {displaystyle D} 是扩散常数, r A B {displaystyle r_{AB}} 是发生反应的半径,这一个数据可以用于评估酶的催化效率以及配体和受体结合的能力的上限,在一般情况下 k ≈ 10 9 s − 1 M − 1 {displaystyle kapprox 10^{9}s^{-1}M^{-1}} 。扩散在现代工业的各方面起到了一定作用。其中的一些代表如下:

相关

  • 华氏温标是一种温标,符号为℉。华氏温标的定义是:在标准大气压下,冰的熔点为32℉,水的沸点为212℉,中间有180等分,每等分为华氏1度。根据德国科学家华伦海特于1724年所写的一篇期
  • 三域系统三域系统 (Three-domain system) 是由美国微生物学家和生物物理学家卡尔·乌斯 (Carl Richard Woese)等人在1977年提出的细胞生命形式的分类,是古菌域 (Domain Archaea)、细
  • 原生动物原生动物是动物界中最低级、最原始、最简单的一类动物,属于原生生物当中较接近动物的一类,简称原虫。身体由单个细胞所构成,因此也被称为单细胞动物。多营自由生活,也有的生活在
  • 周产期死亡周产期死亡(PNM, Perinatal mortality)是指胎儿或是新生儿的死亡,是计算周产期死亡率的基础。周产期死亡率的标准定义较多样,特别是涉及到是否须把早期胎儿和晚期新生儿死亡纳入
  • 密西西比河密西西比河(英语:Mississippi River),位于北美洲中南部,是北美最大的水系,流域面积约为300万平方千米。它也是北美最长的河流,源头在美国明尼苏达州西北部海拔446米的艾塔斯卡湖(英
  • 总干事联合国秘书长是联合国秘书处的长官,由于联合国秘书处是联合国的行政机构,故联合国秘书长被视为联合国的最高行政长官。依照《联合国宪章》,秘书长是由安理会推荐,负责秘书处的工
  • 反应堆级钚反应堆级钚是指在反应堆中经过若干年燃烧后由铀-238经中子俘获和两次连续的β衰变生成的钚-239,再被嬗变成其它钚的同位素之后形成的混合物。目前的核电站一般使用的热中子堆
  • 森林森林,是一个高密度树木的区域(或历史上,森林是一个为狩猎而留出的荒地),涵盖大约9.4%的地球表面(或30%的占总土地面积)。森林覆盖着全球面积的9.4%,全球陆地面积的30%(在工业化前约占全
  • 温带海洋性位于南北纬40至60度的大陆西岸,除亚洲、非洲和南极洲没有外,其余各大洲都有,其中以欧洲大陆西部及不列颠群岛最为典型。常年盛行来自海洋的西风,西岸常有暖流影响,增温增湿,西风从
  • 坐月子坐月子,是一些东亚民族的妇女在生产过后休息调养身心的习俗,时间约一个月,故称坐月子。粤语称坐月,闽南语称做月內,客家话称做月,中原官话称坐月子或称作月子,日语称产后之肥立(産後