Molekul difusi
Difusi dari titik mikroskopik dan makroskopik pandang. Awalnya, ada molekul zat terlarut di sisi kiri penghalang (garis ungu) dan tidak ada di sebelah kanan. Penghalang dihapus, dan zat terlarut berdifusi untuk mengisi seluruh wadah. Top: Sebuah molekul tunggal bergerak di sekitar secara acak. Tengah: Dengan molekul yang lebih, ada kecenderungan yang jelas di mana zat terlarut mengisi wadah yang lebih dan lebih seragam. Bottom: Dengan sejumlah besar molekul terlarut, keacakan semua hilang: The terlarut tampaknya bergerak dengan lancar dan sistematis dari daerah konsentrasi tinggi ke daerah rendah-konsentrasi, mengikuti hukum Fick's.difusi molekular, sering disebut hanya difusi, adalah gerak termal semua (cairan atau gas) partikel pada suhu di atas nol mutlak.Tingkat gerakan ini merupakan fungsi dari suhu, viskositas fluida dan ukuran (massa) partikel, tapi bukan merupakan fungsi dari konsentrasi. Difusi menjelaskan fluks bersih molekul dari daerah konsentrasi tinggi ke salah satu konsentrasi yang lebih rendah, tetapi penting untuk dicatat difusi yang juga terjadi ketika tidak ada gradien konsentrasi. Hasil difusi merupakan pencampuran bahan bertahap. Dalam fase dengan suhu seragam, tidak ada gaya bersih luar yang bekerja pada partikel, proses difusi pada akhirnya akan menghasilkan pencampuran lengkap.difusi molekuler biasanya dijelaskan secara matematis menggunakan hukum Fick tentang difusi.
Difusi adalah sangat mendasar dalam banyak cabang ilmu fisika, kimia, dan biologi. Beberapa aplikasi contoh difusi:Sintering untuk memproduksi bahan-bahan padat (metalurgi serbuk, produksi keramik)Desain reaktor kimiaKatalis desain dalam industri kimiaBaja dapat menyebar (misalnya, dengan karbon atau nitrogen) untuk memodifikasi sifat-sifatnyaDoping selama produksi semikonduktor. Signifikansi
Skema representasi dari pencampuran dua zat dengan difusiDifusi adalah bagian dari fenomena transportasi. Mekanisme transportasi massa, difusi molekuler dikenal sebagai salah satu lambat. Dalam biologi
Dalam biologi sel, difusi merupakan bentuk utama transportasi untuk bahan yang diperlukan seperti asam amino dalam sel [1] Difusi air (H2O) melalui. Suatu membran permeabel sebagian diklasifikasikan sebagai osmosis.Metabolisme dan respirasi mengandalkan sebagian pada difusi di samping proses massal atau aktif. Sebagai contoh, dalam alveoli paru-paru mamalia, karena perbedaan tekanan parsial di membran alveolar-kapiler, oksigen berdifusi ke dalam darah dan karbon dioksida berdifusi keluar. Paru-paru berisi area permukaan besar untuk memfasilitasi proses pertukaran gas. Tracer dan difusi kimia
Cukup difusi, dicontohkan dengan pelacak isotop dari 22Na isotop radioaktif
Contoh kimia (klasik, Fick, atau Fickian) difusi natrium klorida dalam airPada dasarnya, dua jenis difusi dibedakan:Tracer difusi, yang merupakan pencampuran spontan molekul terjadi karena tidak adanya konsentrasi (atau kimia potensial) gradien. Jenis difusi dapat diikuti dengan menggunakan pelacak isotop, maka nama itu. Difusi pelacak biasanya diasumsikan identik dengan diri-difusi (dengan asumsi tidak ada efek isotopik signifikan). difusi ini dapat berlangsung dalam keseimbangan.difusi kimia terjadi pada kehadiran konsentrasi (atau kimia potensial) gradien dan hasil dalam transportasi bersih massa. Ini adalah proses dijelaskan oleh persamaan difusi. difusi ini selalu merupakan proses non-ekuilibrium, meningkatkan entropi sistem, dan sistem membawa lebih dekat dengan keseimbangan.Koefisien difusi ini untuk kedua jenis difusi umumnya berbeda karena difusi koefisien difusi kimia adalah biner dan itu mencakup dampak akibat hubungan gerakan dari spesies menyebarkan berbeda. sistem Non-kesetimbangan
Ilustrasi entropi rendah (atas) dan entropi tinggi (bawah)Karena difusi kimia adalah proses transportasi bersih, sistem di mana terjadi bukan merupakan sistem kesetimbangan (yaitu tidak diam belum). Banyak hasil termodinamika klasik tidak mudah diterapkan pada sistem non-ekuilibrium. Namun, ada kadang-kadang terjadi negara quasi-stabil yang disebut, dimana proses difusi tidak berubah dalam waktu, di mana hasil klasik lokal mungkin berlaku. Seperti namanya, proses ini adalah sebuah keseimbangan yang benar karena sistem ini masih berkembang.Non-ekuilibrium sistem fluida dapat berhasil dimodelkan dengan Landau-Lifshitz berfluktuasi hidrodinamika. Dalam kerangka teoritis, difusi ini disebabkan fluktuasi dimensi yang berkisar dari skala molekuler untuk skala makroskopis. [2]difusi Kimia meningkatkan entropi dari suatu sistem, yaitu difusi merupakan proses spontan dan tidak dapat diubah. Partikel dapat menyebar oleh difusi, tetapi tidak akan spontan kembali-order sendiri (tidak ada perubahan pada sistem, dengan asumsi tidak ada penciptaan ikatan kimia baru, dan kekuatan eksternal tidak ada yang bekerja pada partikel). Percobaan untuk menunjukkan difusi
Difusi tidak mudah untuk mengamati, karena fenomena transportasi lainnya, terutama konveksi, lebih efisien pada skala panjang di atas milimeter. Difusi yang paling penting dalam skala mikroskopis.Difusi dapat ditunjukkan dengan tabung kaca yang luas, kertas, dua gabus, beberapa kapas direndam dalam larutan amonia dan beberapa kertas lakmus merah. Dengan amat sangat kedua ujung tabung kaca lebar dan hubungkan kapas basah dengan salah satu gabus, dan kertas lakmus dapat digantung dengan benang dalam tabung. Ini akan diamati bahwa kertas lakmus merah menjadi biru.Hal ini karena molekul amonia perjalanan dengan difusi dari konsentrasi yang lebih tinggi dalam wol kapas untuk konsentrasi yang lebih rendah dalam sisa tabung kaca. Ini tidak berarti bahwa partikel tidak bergerak ke arah yang lain, melainkan ada fluks bersih dari daerah konsentrasi tinggi ke daerah konsentrasi rendah. Sebagai solusi amonia adalah basa, kertas-kertas lakmus merah menjadi biru. Dengan mengubah konsentrasi amonia, laju perubahan warna kertas lakmus dapat diubah. Catat bahwa tingkat difusi itu sendiri tidak bertambah bahkan ketika ada konsentrasi gradien curam, karena bukan merupakan fungsi dari konsentrasi. Apa yang sebenarnya meningkat adalah fluks. Konsentrasi tergantung "kolektif" difusi
difusi Kolektif adalah difusi dari sejumlah besar partikel, paling sering dalam pelarut.Berlawanan dengan gerak Brown, yang merupakan difusi dari partikel tunggal, interaksi antara partikel mungkin harus dipertimbangkan, kecuali partikel-partikel merupakan campuran ideal dengan pelarut mereka (kondisi campuran yang ideal sesuai dengan kasus di mana interaksi antara pelarut dan partikel identik dengan interaksi antara partikel dan interaksi antara molekul pelarut, dalam hal ini, partikel tidak berinteraksi ketika di dalam pelarut).Dalam kasus dari suatu campuran yang ideal, persamaan difusi partikel memegang D koefisien benar dan difusi kecepatan difusi dalam persamaan difusi partikel independen konsentrasi partikel.Dalam kasus lain, sehingga interaksi antara partikel dalam pelarut akan memperhitungkan efek sebagai berikut:difusi D koefisien dalam persamaan difusi partikel menjadi tergantung konsentrasi. Untuk interaksi yang menarik antara partikel, koefisien difusi cenderung menurun dengan meningkatnya konsentrasi. Untuk interaksi menjijikkan antara partikel, koefisien difusi cenderung meningkat dengan meningkatnya konsentrasi.Dalam hal interaksi yang menarik antara partikel, partikel menunjukkan kecenderungan untuk menyatu dan membentuk cluster jika konsentrasi mereka terletak di atas ambang tertentu.Hal ini setara dengan reaksi kimia curah hujan (dan jika partikel menyebarkan dipertimbangkan adalah molekul kimia dalam larutan, maka itu adalah curah hujan a). Difusi Molekuler Gas
Transportasi materi dalam cairan stagnan atau di seberang arus dari cairan dalam aliran laminar terjadi dengan kompartemen diffusion.Two molekul berdekatan, dipisahkan oleh partisi yang mengandung gas murni A atau B mungkin dipertimbangkan.Random gerakan dari semua molekul terjadi sehingga setelah periode molekul ditemukan jauh dari posisi asli mereka. Jika partisi akan dihapus, beberapa molekul A bergerak menuju wilayah yang ditempati oleh B, jumlahnya tergantung pada jumlah molekul pada titik dipertimbangkan. Secara bersamaan, molekul menyebar B terhadap rejimen sebelumnya ditempati oleh A. murni Akhirnya, lengkap pencampuran terjadi. Sebelum titik waktu ini, variasi bertahap di konsentrasi A terjadi sepanjang sumbu, yang ditunjuk x, yang bergabung dengan kompartemen asli. Variasi ini, yang dinyatakan secara matematis -dCA/dx, dimana CA adalah konsentrasi A. Tanda negatif muncul karena konsentrasi A berkurang sebagai jarak x meningkat. Demikian pula, variasi konsentrasi gas B -dCB/dx. Tingkat difusi A, NA, tergantung pada gradien konsentrasi dan kecepatan rata-rata dengan yang molekul A bergerak dalam arah x. Hubungan ini diungkapkan oleh Fick's Law
dimana D adalah Difusivitas A dan B, sebanding dengan kecepatan molekul rata-rata dan, karena itu tergantung pada suhu dan tekanan gas. Tingkat Difusi NA, biasanya dinyatakan sebagai jumlah mol menyebar di seluruh satuan luas dalam satuan waktu.Seperti persamaan dasar perpindahan panas, menunjukkan bahwa tingkat gaya berbanding lurus dengan kekuatan pendorong, yang merupakan gradien konsentrasi.Persamaan dasar diterapkan pada sejumlah situasi. Membatasi diskusi secara eksklusif untuk kondisi steady state, di mana DCA tidak / dx atau DCB / dx berubah seiring dengan waktu, counterdiffusion equimolecular dianggap pertama. Equimolecular Counterdiffusion
Jika tidak ada aliran massal terjadi pada unsur dx panjang, tingkat difusi dua gas A dan B harus sama dan berlawanan, yaitu NA = NB.Tekanan parsial A perubahan dengan DPA selama jarak dx.Demikian pula, tekanan parsial DPB perubahan B. Karena tidak ada perbedaan tekanan total di seluruh elemen (tidak ada aliran bulk), DPA / dx harus sama -dPB/dx. Untuk gas ideal tekanan parsial berkaitan dengan konsentrasi molar oleh relasiPAV = Nartmana nA adalah jumlah mol gas A dalam volume V. konsentrasi molar CA sama dengan nA / V Oleh karena ituPA = CARTAkibatnya, untuk gas A,
mana DAB adalah difusivitas A di B. Demikian pula,
Karena itu memungkinkan bahwa DAB = DBA = D. Jika tekanan parsial A pada x1 adalah PA1 dan x2 adalah PA2, integrasi persamaan di atas,
Sebuah persamaan yang sama dapat diturunkan untuk counterdiffusion gas B.
