什么是扩散


释义

气体分子热运动的速率很大,分子间极为频繁 地互相碰撞,每个分子的运动轨迹都是无规则 的杂乱折线。温度越高,分子运动就越激烈。 在0℃时空气分子的平均速率约为400米/秒,但 是,由于极为频繁的碰撞,分子速度的大小和 方向时刻都在改变,气体分子沿一定方向迁移 的速度就相当慢,所以气体扩散的速度比气体 分子运动的速度要慢得多。

固体分子间的作用力很大,绝大多数分子只能 在各自的平衡位置附近振动,这是固体分子热 运动的基本形式。但是,在一定温度下,固体 里也总有一些分子的速度较大,具有足够的能 量脱离平衡位置。这些分子不仅能从一处移到 另一处,而且有的还能进入相邻物体,这就是 固体发生扩散的原因。固体的扩散在金属的表 面处理和半导体材料生产上很有用处,例如, 钢件的表面渗碳法(提高钢件的硬度)、渗铝法( 提高钢件的耐热性),都利用了扩散现象;在半 导体工艺中利用扩散法渗入微量的杂质,以达 到控制半导体性能的目的。

液体分子的热运动情况跟固体相似,其主要形 式也是振动。但除振动外,还会发生移动,这 使得液体有一定体积而无一定形状,具有流动 性,同时,其扩散速度也大于固体。

物理意义

将装有两种不同气体的两个容器连通,经过一 段时间,两种气体就在这两个容器中混合均匀 ,这种现象叫做扩散。用密度不同的同种气体 实验,扩散也会发生,其结果是整个容器中气 体密度处处相同。在液体间和固体间也会发生 扩散现象。例如清水中滴入几滴红墨水,过一 段时间,水就都染上红色;又如把两块不同的 金属紧压在一起,经过较长时间后,每块金属 的接触面内部都可发现另一种金属的成份。

在扩散过程中,气体分子从密度较大的区域移 向密度较小的区域,经过一段时间的掺和,密 度分布趋向均匀。在扩散过程中,迁移的分子 不是单一方向的,只是密度大的区域向密度小 的区城迁移的分子数,多于密度小的区域向密 度大的区域迁移的分子数。

实质

扩散现象是气体分子的内迁移现象。从微观上 分析是大量气体分子做无规则热运动时,分子 之间发生相互碰撞的结果。由于不同空间区域 的分子密度分布不均匀,分子发生碰撞的情况 也不同。这种碰撞迫使密度大的区域的分子向 密度小的区域转移,最后达到均匀的密度分布 。

一、有用的例子

1、烹饪时对食品的腌制:腌制食物材料时,调料小分子通过扩散进入食材内;

2、蚊香灭蚊的效果:蚊香中的灭蚊物质通过扩散,散步房间的各个地方,达到灭亡效果;

二、有害的例子

1、二手烟的扩散:没吸烟的人也会受到二手烟的危害,是尼古丁焦油等分子在空气中的扩散;

2、长时间堆放煤块的墙角会发黑:煤分子在墙体构成的分子中扩散;

扩散现象的原因:

由于粒子(原子、分子或分子集团)的热运动自发地产生物质迁移现象叫“扩散”。扩散可以在同一物质的一相或固、液、气多相间进行。也可以在不同的固体、液体和气体间进行。主要由于浓度差或温度差所引起。

一般是从浓度较大的区域向浓度较小的区域扩散,直到相内各部分的浓度达到均匀或两相间的浓度达到平衡时为止。物质直接互相接触时,称自由扩散。若扩散是经过隔离物质进行时,则称为渗透。在自然界中扩散现象起着很大的作用。

扩散和弥散的区别:

扩散指扩大散布;弥散指光线、气体等向四处扩散。

扩散 kuò sàn

[释义] 扩大散布。

[例句] 癌细胞已经扩散,肠癌变成了肝癌。

[反义] 清除, 扫除

弥散 mí sàn

[释义] (动)(光线、气体等)向四外扩散。

[构成] 偏正式:弥〔散

[例句] 香气四处弥散。(作谓语)

普通扩散作用(diffusion)即可导致明显的同位素分馏。一般来说,轻同位素更易于迁移,因此扩散作用能够导致轻同位素和重同位素的分异。就气体而言,扩散系数的比值等于其分子量平方根的倒数。例如,对于分子量为44和45,即12C16O16O和13C16O16O的CO2分子的中碳同位素,使两种同位素分子的动能 相等,经计算可得两种分子的速率比等于45/44的平方根(即101)。若不考虑温度因素,在同一系统中,12C16O16O分子的平均速率较13C16O16O分子的平均速率高1%。但这一同位素效应或多或少地限于理想气体,因为理想气体中的分子碰撞较少,分子间的力可以忽略。比如,由扩散运动导致的土壤CO2的碳同位素分馏效应估算为4‰左右(Cerling,1984;Hesterberg & Siegenthaler,1991)。

与普通扩散作用明显不同,热扩散(thermal diffusion)过程的温度梯度将产生质量转移。质量差异越大,由热扩散引起的两种同位素分子的分离趋势越明显。Severinghaus et al(1996)提出了热扩散实例,他观察到相对于自由大气层(free atmosphere),沙丘空气中的15N和18O出现少量亏损。这与土壤不饱和区域中较重同位素应因重力沉降而富集的预期结果相背离。这种由热引起的扩散同位素分馏效应还出现在冰心的气泡中(Severinghaus et al,1998;Severinghaus & Brook,1999;Grachiev & Severinghaus,2003)。Richeter(2007)曾报道过,极高温度下的热扩散引起了明显的同位素分馏。观测结果显示,熔融玄武岩仅仅150℃的温度变化即可影响26Mg/24Mg8‰的分馏。Richter et al(1999,2003)较早在熔融玄武岩和流纹岩之间进行的扩散实验也证明了Li、Ca和Ge(用来替代Si)出现了明显的同位素分馏。尤其是对于Li,高温下的扩散作用是其同位素分馏最重要的影响因素 ( 参看第 2 2 部分) 。一般认为,温度超过 1000℃,同位素分馏可以忽略不计,但是从锂的同位素分馏效应来看,我们应该重新审视这一观点。

在液相和固相中,控制热扩散的因素更为复杂。固态扩散 ( solid state diffusion) 的概念通常涉及体积扩散和扩散机制的内容。在固态扩散过程中,原子沿易于扩散的路径 ( 如晶粒间界面和表面) 发生移动。扩散-渗透实验显示沿晶粒间界面的扩散速率显著增强,比体积扩散 ( volume diffusion) 要高出几个数量级。因此,晶粒间界面可作为快速交换的途径。体积扩散由元素或同位素在晶格 ( crystal lattice) 中随机热运动形成,并取决于晶格中的质点缺陷 ( point defect) ,如晶格内的空位或填隙原子。

元素或同位素通过介质扩散的通量 ( F) 与浓度梯度 ( dc/dx) 成一定比例关系:

稳定同位素地球化学( 第六版)

式中: D 为扩散系数,“- ”表示浓度梯度具有负斜率,如元素或同位素从高浓度点向低浓度点移动。扩散系数 ( D) 随温度的变化可依据阿仑尼乌斯关系式 ( Arrhenius relation) 表示:

稳定同位素地球化学( 第六版)

式中:D0为与温度无关的系数;Ea为活化能;R为气体常数;T为绝对温度;e为常用对数底数。

近年来,人们对确定扩散系数进行了诸多尝试,最常用的方法是次级离子质谱分析法(SIMS,secondary ion masss pectrometry)。该分析法是将晶体置于重同位素化合物极其富集的溶液或气体中,然后测量同位素组成。实验表明,同位素组成是晶面以下深度的函数。

对多数矿物说,在较大温度范围内,扩散系数的对数值与温度的倒数成线性关系。不同矿物的阿仑尼乌斯(Arrhenius)曲线如图15所示,图中显示了不同矿物的扩散系数。在实际应用中,岩石中的各种矿物以不同的速率交换氧,从而形成在不同温度下交换同位素的封闭体系。当一种岩石从热事件的最高温度逐渐冷却时,交换矿物之间同位素分馏的量级将逐渐增加。共生矿物(coexisting mineral)在较低温度下达到平衡的速率受各矿物间体积扩散速率的限制。

已有文献已讨论过矿物内和矿物之间的扩散运移模型,其一为Eileretal(1992,1993)提出的快速晶粒界面(FGB,fast grain boundary)模型。FGB模型考虑了非临近晶粒之间的扩散效应。该模型显示当考虑质量平衡因素时,封闭温度与矿物成分的模式丰度(modal abundance)与所有共生矿物扩散系数差异具有非常强的相关性。

图15 不同矿物的扩散系数-温度的阿仑尼乌斯曲线图(据Cole & Chakraborty,2001,有修改)

扩散现象是指物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移,直到均匀分布的现象,速率与物质的浓度梯度成正比

扩散现象说明分子在永不停息做无规则运动,分子间存在间隔,气体分子热运动最剧烈、其次是液体、最慢的是固体

扩散的解释

(1) [diffuse]∶向外扩展分散 溶解 中的气体从浓度较大的区域向浓度较小的区域扩散 (2) [proliferate]∶到新的部位再生长 癌扩散到肝 详细解释 扩大散布。 茅盾 《子夜》 九:“一股热气 渐渐 从她胸腔里扩散开来,她的脸有点红了。” 巴金 《 随想 录》 五:“癌细胞 已经 扩散,肠癌变成了肝癌。”

词语分解

扩的解释 扩 (扩) ò 推广,伸张,放大,张大:扩大。扩展。扩散(刵 )。扩建。扩张。扩军。扩充。 部首 :扌; 散的解释 散 à 分开,由 聚集 而分离:分散。解散。涣散。散落。散失。散逸。 分布,分给:散布。散发()。天女散花。 排遣:散心。散闷(坣 )。 解雇:他干的不好,让那家饭店给散了。 集聚 散 ǎ 没有 约束 ,

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