АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология

Первый и второй законы Фика, диффузия, движущая сила диффузии, связь коэффициента диффузии с размерами частиц.

Диффузия молекул, атомов, ионов, дисперсных частиц – один из основных процессов, происходящих в газах, жидкостях и твердых телах.

Диффузия – самопроизвольный процесс выравнивания концентрации какого-либо вещества в газе, жидкости или твердом теле. Диффундирующее вещество может находиться в виде отдельных атомов, молекул и ионов, дисперсных частиц. Диффузия дисперсных частиц происходит под влиянием броуновского движения и ведет к увеличению энтропии системы.

Основной закон диффузии (з-н Фика) определяет кол-во вещества dm, которое переносится через площадь Ω (площадь поперечного сечения диффузионного потока) за время dt под действием градиента концентрации gradC = –dC/dx (х – направление (ось координат), в котором происходит диффузия): dm = –D(dC/dx)Ωdt.

Для расчета диффузии дисперсных частиц в дисперсионной среде (жидкости) следует пользоваться концентрацией частиц (ν, м^-3). Тогда закон Фика примет вид:

dm = –D(dν/dx)*Ωdt.

Количество вещества i_d = dm/(Ωdt), которое переносится диффузией в единицу времени через единицу площади, называют удельным диффузионным потоком. Тогда:

i_d = –D(dν/dx). Это уравнение дает макроскопическое (феноменологическое) определение коэффициента диффузии (D) дисперсных частиц: коэффициент диффузии равен массе дисперсной фазы вещества, которое продиффундировало через единицу площади в единицу времени при единичном градиенте концентрации dν/dx = 1 м^-4.

Физический смысл коэффициента диффузии дисперсных частиц раскрывает уравнение Эйнштейна: D = k_BT/(6πηr), где k_B - постоянная Больмана (Дж/К), Т – температура (К), η – вязкость дисперсионной среды (Па*с), r – радиус дисперсной частицы. Важнейшее следствие – коэффициент диффузии обратно пропорционален радиусы частицы r. Поэтому диффузия протекает довольно интенсивно только в ультрадисперсных и высокодисперсных системах. Коэфф. дифф. дисперсных частиц размером 1-100 нм в воде при комнатной температуре изменяется примерно от 4*10^-14 до 4*10^-10 м²/с.

Одно из наиболее важных следствий диффузии – в высокодисперсных системах устанавливается динамическое равновесие между оседанием (седиментацией) частиц и их диффузией в противоположном направлении. Это равновесие обеспечивает длительную седиментационную устойчивость высокодисперсных систем (напр., коллоидных растворов) в поле силы тяжести.

Второй закон Фика учитывает то, что поток атомов в процессе диффузии может меняться, т. е. принимает во внимание нестационарность потока. При этом скорость накопления диффундирующего вещества в данном объеме является разностью между входящим и выходящим потоками за единичное время. Для двух параллельных плоскостей, площадь каждой из которых равна единице, а расстояние между ними dx, поток через первую плоскость будет соответствовать выражению i_d = –D(dν/dx), а через вторую −

Разность этих двух потоков составляет

При условии не зависящего от концентрации коэффициента диффузии получим второй закон Фика для одномерной диффузии в дифференциальной форме:

Концентрация ν здесь зависит от времени t и от глубины диффузии x.

Примеры:

1. Распространение запахов,

2. смешивание разнородных жидкостей,

3. растворение твердых тел в жидкостях,

4. сварка металлов при их расплавлении или под давлением.

6.Проникновение растворённого вещества в клетку может быть выражено законом Фика, в котором значение коэффициента Диффузии заменено коэффициентом проницаемости мембраны, а градиент концентрации — разностью концентраций вещества по обе стороны мембраны.

7. Диффузионное проникновение в клетку газов и воды (Осмос) также описывается законом Фика; при этом значения разности концентраций заменяются значениями разности давлений газов и осмотических давлений внутри и вне клетки.

Диффузия кислорода из лёгких в кровь и из крови в ткани, всасывание продуктов пищеварения из кишечника, поглощение элементов минерального питания клетками корневых волосков, диффузия ионов при генерировании биоэлектрических импульсов нервными и мышечными клетками).

8. Различная скорость диффузии ионов через клеточные мембраны — один из физическихфакторов, влияющих на избирательное накопление элементов в клетках организма.

Дата добавления: 2015-10-11 | Просмотры: 3436 | Нарушение авторских прав