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擴散現象

鎖定
擴散現象是指物質分子從高濃度區域向低濃度區域轉移直到均勻分佈的現象,速率與物質的濃度梯度成正比 [1]  。擴散現象是一個基於分子熱運動的輸運現象,是分子通過熱運動 [4]  從高濃度區域(或高化勢)向低濃度區域(或低化勢)的運輸的過程。它是趨向於熱平衡態的馳豫過程,是熵驅動的過程。由於擴散作用的速率和混合物的濃度梯度一般不太大,因此通常可以用近平衡態熱力學理論進行處理。擴散是由於分子熱運動而產生的質量遷移現象,主要是由於密度差引起的。分子熱運動認為在絕對零度不會發生。擴散現象等大量事實表明,一切物質的分子都在不停地做無規則的運動。
中文名
擴散現象
外文名
diffusion
平均速率
400米/秒
引    起
密度
正    比
速率與物質的濃度梯度
學    科
物理

擴散現象釋義

擴散現象是指當兩種物質相接觸時,物質分子可以彼此進入對方的現象。
氣體分子熱運動的速率很大,分子間極為頻繁地互相碰撞,每個分子的運動軌跡都是無規則的雜亂折線。温度越高,分子運動就越激烈。在0℃時空氣分子的平均速率約為400米/秒,但是,由於極為頻繁的碰撞,分子速度的大小和方向時刻都在改變,氣體分子沿一定方向遷移的速度就相當慢,所以氣體擴散的速度比氣體分子運動的速度要慢得多。
固體分子間的作用力很大,絕大多數分子只能在各自的平衡位置附近振動,這是固體分子熱運動的基本形式。但是,在一定温度下,固體裏也總有一些分子的速度較大,具有足夠的能量脱離平衡位置。這些分子不僅能從一處移到另一處,而且有的還能進入相鄰物體,這就是固體發生擴散的原因。固體的擴散在金屬的表面處理和半導體材料生產上很有用處,例如,鋼件的表面滲碳法(提高鋼件的硬度)、滲鋁法(提高鋼件的耐熱性),都利用了擴散現象;在半導體工藝中利用擴散法滲入微量的雜質,以達到控制半導體性能的目的。温度越高,分子熱運動越快。
液體分子的熱運動情況跟固體相似,其主要形式也是振動。但除振動外,還會發生移動,這使得液體有一定體積而無一定形狀,具有流動性,同時,其擴散速度也大於固體。
擴散現象説明了:一切物體的分子都在不停地做無規則運動。分子之間有間隙。
影響擴散快慢的因素:擴散的快慢程度與温度有關,温度越高,擴散得越快。由於分子運動的劇烈程度與温度有關,分子永不停息的無規則運動也叫作分子的熱運動 [2] 

擴散現象物理意義

將裝有兩種不同氣體的兩個容器連通,經過一段時間,兩種氣體就在這兩個容器中混合均勻,這種現象叫做擴散。用密度不同的同種氣體實驗,擴散也會發生,其結果是整個容器中氣體密度處處相同。在液體間和固體間也會發生擴散現象。例如清水中滴入幾滴紅墨水,過一段時間,水就都染上紅色;又如把兩塊不同的金屬緊壓在一起,經過較長時間後,每塊金屬的接觸面內部都可發現另一種金屬的成份。
擴散過程中,氣體分子從密度較大的區域移向密度較小的區域,經過一段時間的摻和,密度分佈趨向均勻。在擴散過程中,遷移的分子不是單一方向的,只是密度大的區域向密度小的區城遷移的分子數,多於密度小的區域向密度大的區域遷移的分子數。

擴散現象實質

擴散現象的微觀機理可以這樣理解,當氣體內部各部分的密度不均勻時,在分子熱運動的過程中,從密度大的地方擴散到密度小的地方的分子數大於從密度小的地方擴散到密度大的地方的分子數,這種交換的結果是氣體的質量由密度大的地方向密度小的地方輸運,即擴散現象在微觀上是氣體分子在熱運動過程中輸運質量的過程 [3]  。由於不同空間區域的分子密度分佈不均勻,分子發生碰撞的情況也不同。這種碰撞迫使密度大的區域的分子向密度小的區域轉移,最後達到均勻的密度分佈。

擴散現象分子熱運動

分子的無規則運動,稱為熱運動。
所謂“無規則運動”,是指由於分子之間的相互碰撞,每個分子的運動速度無論是方向還是大小都在不斷地變化,標準狀況下,一個空氣分子在1s內與其他空氣分子的碰撞達到65億次之多.所以大量分子的運動是十分混亂的。
1、一切物質的分子都在不停地做無規則的運動,這種無規則運動叫做分子的熱運動。
2、任何物質的分子在任何時候都在不停地做無規則運動。
3、擴散現象不僅證明了分子處在永不停息的運動中,也證明了分子間存在着空隙。
4、影響因素:温度越高,分子運動越劇烈,擴散現象越明顯。
參考資料
  • 1.    劉波編著,物理學中的奧秘,光明日報出版社,2012.10,第31頁
  • 2.    本書編寫組主編,隨走隨練:初中物理必考公式定律與知識梳理,華東理工大學出版社,2016.06,第63頁
  • 3.    尹國盛,顧玉宗主編;黨玉敬,王素蓮副主編;趙遵成,高海燕,孫獻文,程秀英參編,大學物理學 下冊,華中科技大學出版社,2012.09,第24頁
  • 4.    羅益民;伍振海;唐斌.《大學物理 第3版·修訂版 下》:北京郵電大學出版社,2016年:第168頁