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擴散率

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擴散率是一種擴散速率，是粒子或熱量或流體傳播速度的量度。擴散率的大小與介質間的濃度差或能量差有關，它表示物質中各特性趨於均勻一致的能力。對於不同的媒介，其擴散率的測量方法不同。
中文名
擴散率
外文名
diffusivity
別    名
diffusion of rate 
領    域
物理、化學、傳熱學
定    義
粒子或熱量或流體傳播速度的量度
表達式
α、K、K、D

目錄

  1. 1 簡介
  2. 2 熱擴散率
  3. 3 分子擴散率
  4. 4 磁擴散率

擴散率簡介

擴散率指物質濃度或温度分佈不均勻的情況下，粒子、熱量自發進行擴散使系統達到均勻穩定的能力。
擴散率按照描述的對象不同可細分為以下幾種：
　　熱量的擴散： 熱擴散率
質量的擴散: 分子擴散率
粘度： 動量擴散率
磁場的擴散： 磁擴散率

擴散率熱擴散率

在傳熱分析中，熱擴散係數是熱導率除以密度和定壓比熱容的結果。它表示一種材料的熱量從熱端到冷端傳遞的速率。它的SI單位為m²/ s。熱擴散率通常是表示α表示，但是也可使用a、κ、K和D。熱擴散率公式為: [1] 
其中：
k為熱傳導率（W/m·K）
為密度（kg/m³）
為比熱容（J/kg·K）
可以被描述為體積熱容（J/(m³·K））
計算熱擴散率的方法是對温度的曲線進行對時間微分，在温度曲線凹凸性平滑的地方對其進行量化。從某種意義上説，温度擴散率是熱慣性的度量。在熱擴散率高的物質中，熱量傳遞非常迅速，因為相對於它的體積比熱容和“熱體積”來説，它的傳熱能力更強。 [2] 
熱擴散率通常用閃光法來測量。包括在一端加熱一個帶短能量脈衝的帶或圓柱形樣品，分析短距離中的温度變化(脈衝振幅和相位的變化)。
一些材料和物質的熱擴散性
材料熱擴散係數
　　（m²/ s）		熱擴散係數
　　（mm²/ s）
熱解石墨，平行於層1.22×101220
銀，純（99.9%）1.6563×10165.63
金1.27×10127
銅在25°C1.11×10111
鋁9.7×1097
Al-10Si-Mn-Mg（Silafont 36）74.2×1074.2
鋁合金6061-T6合金6.4×1064
Al-5Mg-2Si-Mn（Magsimal-59）在20℃44.0×1044.0
鋼，AISI 1010（0.1%碳）1.88 x 1018.8
鋼，1%碳1.172×1011.72
鋼，不鏽鋼304A在27°C4.2×104.2
鋼，不鏽鋼310在25°C3.352×103.352
鉻鎳鐵合金600在25°C3.428×103.428
25℃下的鉬（99.95%）54.3×1054.3
鐵2.3×1023
硅8.8×1088
石英1.4×101.4
碳/碳複合材料在25°C2.165×10216.5
氧化鋁（多晶）1.20×1012.0
二氧化硅（多晶）8.3×100.83
Si3N4與CNTs26℃9.142×109.142
Si3N4，無碳納米管26℃8.605×108.605
PC（聚碳酸酯）在25℃0.144×100.144
PP（聚丙烯）在25℃0.096×100.096
石蠟在25°C0.081×100.081
PVC（聚氯乙烯）8×100.08
PTFE（聚四氟乙烯）在25℃0.124×100.124
25°C的水0.143×100.143
醇7×100.07
水蒸氣（1大氣壓，400K）2.338×1023.38
空氣（300 K）1.9×1019
氬（300 K，1 atm）2.2×1022
氦氣（300 K，1 atm）1.9×10190
氫（300K，1atm）1.6×10160
氮（300K，1atm）2.2×1022
熱解石墨，正常層3.6×103.6
砂岩1.12-1.19×101.15
錫4.0×1040
磚，普通5.2×100.52
磚，土坯2.7×100.27
玻璃，窗户3.4×100.34
橡膠0.89- 1.3×100.089 - 0.13
尼龍9×100.09
木（黃松）8.2×100.082
油，發動機（飽和液體，100℃）7.38×100.0738

擴散率分子擴散率

擴散係數或擴散係數是由於分子擴散和物質濃度梯度(或擴散驅動力)的摩爾通量之間的比例常數。在菲克定律和許多其他物理化學方程式中都用到了擴散係數。擴散率越高(一種物質與另一種物質的相互作用)，就越快擴散到彼此。通常情況下,化合物的擴散係數大約為空氣或水中擴散率的一萬倍左右，空氣中二氧化碳的擴散係數為16 mm² / s，在水中擴散係數為0.0016 mm²/ s 。 [3] 
擴散係數的SI 單位為 m² / s 。在 CGS 單位作 cm² / s。
1個標準大氣壓下，各物質擴散係數如下表 [4]  ：
擴散係數（液體）
物種對（溶質 - 溶劑）温度（°C）D（cm/ s）
苯（dis） - 水（l）251.02×10
空氣（dis） - 水（l）252.00×10
硫化氫（dis） - 水（l）251.41×10
甲醇（dis） - 水（l）250.84×10
甲烷（dis） - 水（l）251.49×10
溴（dis） - 水（l）251.18×10
水（1） - 乙醇（1）251.24×10
水（1） - 乙酸乙酯（1）253.20×10
水（1） - 丙酮（1）254.56×10
氯（dis） - 水（l）251.25×10
氮（dis） - 水（l）251.88×10
氬（dis） - 水（l）252.00×10
氨（dis） - 水（l）251.64×10
氧（dis） - 水（l）252.10×10
氦（dis） - 水（l）256.28×10
氫（dis） - 水（l）254.50×10
二氧化碳（dis） - 水（l）251.92×10
乙醇（dis） - 水（l）250.84×10
乙烷（dis） - 水（l）251.20×10
乙烯（dis） - 水（l）251.87×10
丙酮（dis） - 水（l）251.16×10
丙烷（dis） - 水（l）250.97×10
一氧化碳（dis） - 水（l）252.03×10
一氧化氮（dis） - 水（l）252.60×10
擴散係數（氣體）
物種對（溶質 - 溶劑）温度（°C）D（cm/ s）
水（g） - 空氣（g）250.282
氧氣（g） - 空氣（g）250.176
擴散係數（固體）
物種對（溶質 - 溶劑）温度（°C）D（cm/ s）
氫 - 鐵101.66×10
氫 - 鐵100124×10
鋁 - 銅201.3×10

擴散率磁擴散率

磁擴散率是等離子物理中的參數 [5]  ，出現在雷諾數方程中，它的SI單位為 m²/s
磁擴散率的定義為
其中
為自由空間磁導率，
為有問題材料的電導率。等離子體中由庫侖力或中性碰撞產生的傳導率為：
是的電子密度。
e是電子電荷。
是電子質量。
是碰撞頻率。
參考資料
  • 1.    Brown; Marco (1958). Introduction to Heat Transfer (3rd ed.). McGraw-Hill. and Eckert; Drake (1959). Heat and Mass Transfer. McGraw-Hill. ISBN 0-89116-553-3. cited in Holman, J.P. (2002). Heat Transfer (9th ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-029639-1.
  • 2.    Lide, David R., ed. (2009). CRC Handbook of Chemistry and Physics (90th ed.). Boca Raton, Florida: CRC Press. p. 2-65. ISBN 978-1-4200-9084-0.
  • 3.    Grathwohl, P. (1998). Diffusion in natural porous media: Contaminant transport, sorption / desorption and dissolution kinetics. Kluwer Academic. ISBN 0-7923-8102-5.
  • 4.    Cussler, E. L. (1997). Diffusion: Mass Transfer in Fluid Systems (2nd ed.). New York: Cambridge University Press. ISBN 0-521-45078-0.
  • 5.    W. Baumjohann and R. A. Treumann, Basic Space Plasma Physics, Imperial College Press, 1997.