Dyfuzja

Dyfuzja - proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Ze względu na skalę zjawiska, rozpatruje się dwa podstawowe rodzaje dyfuzji:

• dyfuzja śledzona (ang. tracer diffusion) to proces mikroskopowy polegający na chaotycznym ruchu pojedynczej ("śledzonej") cząsteczki (przykład: ruchy Browna).
• dyfuzja chemiczna to proces makroskopowy obejmujący makroskopowe ilości materii (lub energii), zwykle opisywany równaniem dyfuzji i prowadzący do wyrównywania stężenia (lub temperatury) każdej z dyfundujących substancji w całym układzie.

Dla chemicznej dyfuzji materii (masy) współczynnik dyfuzji jest nazywany współczynnikiem dyfuzji molekularnej. Dla tej samej substancji, w tych samych warunkach, współczynniki dyfuzji śledzonej i chemicznej są zwykle różne, gdyż drugi z tych współczynników uwzględnia oddziaływania i korelacje pomiędzy trajektoriami poszczególnych dyfundujących cząsteczek.

Dyfuzja zachodzi zarówno w stanie równowagi, jak i poza równowagą termodynamiczną. Dyfuzję śledzoną bada się zwykle w stanie równowagi, a dyfuzję chemiczną w układach nierównowagowych. Dyfuzja w stanie braku równowagi termodynamicznej jest procesem nieodwracalnym, który przybliża stan układu do stanu równowagi termodynamicznej i zwiększa jego entropię. Dyfuzja chemiczna zachodząca w stanie równowagi zwana jest samodyfuzją.

Dyfuzja materii jest zjawiskiem aktywowanym termicznie - zwiększenie temperatury zwykle prowadzi do zwiększenia tempa dyfuzji. W przypadku większości ciał stałych zależność tę opisuje równanie Arrheniusa.

Przykłady dyfuzji

Dyfuzja umożliwia zjawisko mieszania się substancji pozostających w fazie gazowej lub ciekłej. Siłą napędową dyfuzji przy mieszaniu jest dążenie układu do równowagi termodynamicznej przez osiągnięcie jak najwyższej entropii i jak najniższej energii swobodnej. Efektem wolnej, nieskrępowanej dyfuzji w gazach i cieczach jest wyrównywanie się stężeń wszystkich składników w całej objętości fazy. Osiągnięcie stanu równowagi nie oznacza jednak zatrzymania dyfuzji. Trwa ona nadal, tyle że dzięki dokładnemu wymieszaniu się wszystkich składników nie prowadzi już do zmian stężenia. Przykładem tego rodzaju dyfuzji może być rozchodzenie się zapachów w nieruchomympowietrzu (zwykle zapachy rozchodzą się wskutek ruchu powietrza).

Jednym z najbardziej znanych przykładów zjawiska fizycznego zdominowanego przez dyfuzję są ruchy Browna.

Innym przykładem dyfuzji jest zjawisko osmozy, polegające na przemieszczaniu się cząsteczek i jonów przez błony półprzepuszczalne, w kierunku wyrównywania się stężenia związku chemicznego lub jonu, zdolnego do przenikania przez błonę. Siła napędową osmozy jest dokładnie to samo, co napędza dyfuzję swobodną w mieszaninach. Różnica polega na tym, że błona przepuszcza tylko wybrane składniki mieszaniny, podczas gdy inne nie.

Odwrócona osmoza - to przenikanie przez błonę cząsteczek rozpuszczalnika w kierunku odwrotnym niż w osmozie, to znaczy od roztworu o większym stężeniu substancji rozpuszczonej do roztworu o mniejszym stężeniu. Ze względu na to, że osmoza odwrócona zmniejsza entropię układu, musi być ona napędzania np. napięciem elektrycznym lub ciśnieniem.

W fizyce ciała stałego (a więc i w elektronice) dyfuzja jest podstawową przyczyną jakiejkolwiek względnej zmiany rozmieszczenia atomów w sieci krystalicznej zachodzącej pod wpływem energii termicznej.