к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Диффузия

Диффузия (от лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание) - неравновесный процесс, вызываемый молекулярным тепловым движением и приводящий к установлению равновесного распределения концентраций внутри фаз. В результате Д. происходит выравнивание хим. потенциалов компонентов смеси. В однофазной системе при пост. температуре и отсутствии внеш. сил Д. выравнивает концентрацию каждого компонента фазы по объёму всей системы. Если темп-pa не постоянна или на систему действуют внеш. силы, то в результате Д. устанавливается пространственно неоднородное равновесное распределение концентраций каждого из компонентов (см. Термодиффузия, Электродиффузия).

Д.- частный случай переноса явлений, относится к явлениям массопереноса. Она является одним из наиб. общих кинетич. процессов, присущих газам, жидкостям и твёрдым телам, протекающих в иих с разл. скоростью. Диффундировать могут также взвешенные малые частицы посторонних веществ (вследствие броуновского движения), а также собств. частицы вещества (самодиффузия ).Диффузия - необратимый процесс, один из источников диссипации энергии в системе.

Скорость Д. (диффузионный поток) в бинарной смеси при малой концентрации диффундирующего вещества пропорциональна градиенту концентрации 1119935-167.jpg и имеет противоположное ему направление:

1119935-168.jpg

(j1 - диффузионный поток, т. е. поток массы 1-го компонента через единичную площадку в единицу времени, D - коэф. Д., 1119935-169.jpg - полная плотность бинарной смеси, 1119935-170.jpg- парциальная плотность 1-го компонента). Выражение (1) наз. 1-м законом Фика [открыт А. Фиком (A. Fick) в 1855].

В табл. приведены для сравнения коэфф. Д. в бинарной смеси для газов, жидкостей и твёрдых тел при атм. давлении:

Диффундирующее вещество

Основной компонент

Температура, 0C

D, м Vc

Водород (газ)

Кислород (газ)

0

0,70*10-4

Пары воды

Воздух

0

0,23*10-4

Поваренная соль

Вода

20

1,1*10-9

Золото (твёрдое)

Свинец (твёрдый)

20

4*10-14

Свинец (твёрдый)

Свинец (твёрдый)

285

7*10-15

Диффузионный поток первого компонента бинарной смеси при наличии градиента теми-ры 1119935-171.jpg и градиента давления 1119935-172.jpg определяется ф-лой

1119935-173.jpg

где KТ - коэф. термодиффузии,

1119935-174.jpg

1119935-175.jpg - разность хим. потенциалов 1119935-176.jpg компонентов; величина КpD паз. коэф. бародиффузии.

При стремлении концентрации к нулю коэф. Д. стремится к конечной постоянной. Из условия сохранения массы 1-го компонента в случае малой концентрации следует диффузии уравнение

1119935-177.jpg

(2-й закон Фика). Матем. теория ур-ния Д. совпадает с теорией теплопроводности уравнения.

Для смеси мн. компонентов диффузионный поток каждого компонента ji, согласно термодинамике необратимых процессов [1, 2], определяется градиентами хим. потенциалов 1119935-178.jpg всех п компонентов смеси:

1119935-179.jpg

где Lik - кинетич. коэф. Онсагера, имеющие тензорный характер и пропорциональные коэф. Д. компонентов смеси (индекс означает, что рассматривается Д. i-гo компонента относительно k-го). Градиенты хим. потенциалов берутся при фиксиров. температуре T. Выражение (4) есть частный случай линейных соотношений Онсагера между термодинамич. силами Д.1119935-180.jpg и диффузионными потоками. Согласно принципу Онсагера (см. Онсагера теорема), в отсутствие магн. поля симметрии 1119935-181.jpg.

Среди градиентов хим. потенциалов лишь n - 1 независимых, их можно выразить через градиенты концентраций с помощью Гиббса - Дюгема уравнения и представить диффузионный поток в виде

1119935-182.jpg

где Dik - тензор коэф. Д. Его диагональные элементы определяют прямые процессы Д., а недиагональные - перекрёстные диффузионные процессы. Соотношения Онсагера для Dik имеют более сложный характер, чем для Lik [1, 2]. Для бинарной смеси коэф. D11 связан с коэф. Онсагера L11 соотношением

1119935-183.jpg

В процессе Д. происходит возрастание энтропии, причём производство энтропии в единицу времени равно:

1119935-184.jpg

Если на смесь компонентов действуют внеш. силы Fk (напр., гравитационные и инерциальные), то явление Д. существенно меняется. Поскольку градиент давления 1119935-185.jpg зависит от внеш. сил Fk, то термодинамич. силами являются не только градиенты хим. потенциалов, но также и центробежная сила и сила тяготения и возникает бародиффузия. При этом термодинамич. равновесию соответствует стационарное неоднородное распределение концентраций. Процесс Д. стремится к установлению этого распределения. Этот процесс позволяет определять молекулярные массы по седиментации в центробежном поле в ультрацентрифуге.

Броуновское движение взвешенных частиц в жидкости можно рассматривать как Д. Cp. квадрат расстояния r, на к-рое удалится броуновская частица за время t, пропорционально её коэф. Д.: 1119935-186.jpg. Коэф. D взвешенных частиц определяется их подвижностью b (коэф. пропорциональности между постоянной внеш. силой и скоростью), причём D = kTb (соотношение Эйнштейна, установленное в 1905).

Диффузия в газах. В газах Д. определяется ср. длиной свободного пробега 1119935-187.jpg молекул, к-рая значительно больше ср. расстояния между ними. Коэфф. Д. для газа 1119935-188.jpg , где 1119935-189.jpg- ср. скорость теплового движения частиц. Коэф. Д. обратно пропорционален давлению газа (т. е.1119935-190.jpg) и пропорционален1119935-191.jpg (т. к.1119935-192.jpg). Более детальные расчёты коэф. Д. в газах даёт решение кинетического уравнения Больцмана для неоднородного состояния газовой смеси при заданных градиентах концентраций для спец. моделей межмолекулярных сил Чепмена - Энскога методом [3, 4].

В бинарной смеси газов, молекулы к-рых взаимодействуют как твёрдые сферы с диаметрами 1119935-193.jpg , коэф. Д. равен

1119935-194.jpg

где 1119935-195.jpg - ср. диаметр частиц; т' -- приведённая масса: 1119935-196.jpg , где m1 и m2 - массы частиц.

Для Д. лёгкого газа в тяжёлом 1119935-197.jpg <v/ sтр> , где и -скорость лёгких атомов,1119935-198.jpg1119935-199.jpg -транспортное сечение столкновения, 1119935-200.jpg - угол между траекториями частиц, 1119935-201.jpg-дифференц. эффективное сечение. Усреднение 1119935-202.jpg ведётся по распределению Максвелла лёгких частиц. Для диффузии тяжёлого газа в лёгком

1119935-203.jpg

T. о., коэф. Д. связан с транспортным эффективным сечением.

Для газа заряж. частиц, напр. носителей заряда в полупроводниках, необходимо учитывать влияние объёмного заряда и связанного с ним электрич. поля и свойства квазинейтральности (см. Диффузия носителей заряда в полупроводниках).

Для диффузии частиц в плазме существенно влияние электрич. и магн. полей. В плазме возможно возникновение разл. неустойчивостей, меняющих процесс Д., существенно увеличивая коэф. Д. Если магн. поле в плазме велико, коэф. Д. может быть очень малым (см. Замагниченная плазма), что важно для осуществления УТC.

Диффузия в жидкостях. Кинетич. теория Д. в жидкостях значительно сложнее, чем в газах, т. к. в жидкостях ср. расстояние между молекулами того же порядка, что и радиус сил взаимодействия между ними, и силы взаимодействия не столь малы, как в газах. Понятие свободного пробега для жидкостей не имеет смысла, и для них не удаётся построить достаточно обоснованного кинетич. ур-ния. Теория Д. в жидкостях (как и др. процессов переноса) развивалась на двух разл. уровнях. Один из них основан на аналогии между структурой жидкости и твёрдого тела [5-6], другой, более фундаментальный исходит из общих принципов статистич. физики и представления о локальном равновесии [7].

В теориях первого типа предполагается существование в жидкости ближнего порядка и процесс Д. определяется скачками молекул из "оседлых" состояний в соседние вакантные состояния, что связано с преодолением потенциального барьера. Каждый скачок происходит при сообщении молекуле энергии, достаточной для разрыва её связей с соседними молекулами и переходом в окружение др. молекул. Время "оседлой жизни" во временном положении равновесия между активац. скачками 1119935-204.jpg , где W - энергия активации, 1119935-205.jpg- ср. период колебаний молекулы в "оседлом" состоянии 1119935-206.jpg. Коэф. Д. в жидкостях по порядку величины равен:

1119935-207.jpg

где d - ср. расстояние между молекулами. С ростом температуры сильно уменьшается 1119935-208.jpg и несколько увеличивается d, поэтому D сильно возрастает. Экспоненциальная зависимость D жидкости от температуры подтверждается экспериментально.

В более строгом варианте элементарной теории Д. принимается, что структура жидкости отлична от структуры твёрдых тел и размер вакансий изменяется (теория свободного объёма), так что перескок возможен лишь начиная с нек-рого критич. размера вакансии.

Более фундам. теории Д. в жидкостях основаны на том, что плотность числа молекул каждого из компонентов ni(x)есть гидродинамич. переменная, медленно меняющаяся в пространстве и во времени. Ей соответствует нек-рая макроскопич. плотность числа 1119935-209.jpg молекул i-й компоненты, зависящей от координат её частиц и являющейся медленно меняющейся динамич. переменной. Поэтому статистич. равновесие устанавливается в два этапа: сначала в макроскопич. малых объёмах устанавливается локально равновесное распределение 1119935-210.jpg, подобное большому каноническому распределению, соответствующему заданному неравновесному распределению концентраций смеси, а затем оно медленно стремится к состоянию равновесия пропорционально градиентам концентраций.

Локально равновесное распределение имеет вид

1119935-211.jpg

где Н-гамильтониан системы, Z - нормировочная функция, зависящая от времени. Распределение 1119935-212.jpg можно получить (в случае классич. статистич. механики), если для каждого малого элемента объёма 1119935-213.jpg с числом частиц 1119935-214.jpgи энергией DH=1119935-215.jpg построить большое канонич. распределение и перемножить эти распределения. Более строгий метод получения 1119935-216.jpg основан на экстремуме информац. энтропии (см. Энтропия в теории информации) при заданных 1119935-217.jpg. Распределение (9) при постоянных 1119935-218.jpg переходит в большое канонич. распределение Гиббса

1119935-219.jpg

1119935-220.jpg ,

к-рое удовлетворяет Лиувилля уравнению. В случае малого отклонения системы от состояния статистич. равновесия можно принять 1119935-221.jpg за 1-е приближение и найти к нему поправку, к-рая определяет неравновесный диффузионный поток, пропорциональный термодинамич. силам 1119935-222.jpg с коэф. Онсагера 1119935-223.jpg, к-рый выражается через временную корреляц. функцию динамич. переменных 1119935-224.jpg, соответствующих плотностям потоков компонентов:

1119935-225.jpg

где усреднение ведётся по локально равновесному состоянию, 1119935-226.jpg - значение 1119935-227.jpg в момент t при движении частиц i-й компоненты согласно Гамильтона уравнению. Выражение 1119935-228.jpg через корреляторы потоков Д. есть частный случай Грина - Кубо формул для

Д. В случае самодиффузии

1119935-229.jpg ,

где 1119935-230.jpg- динамич. переменная скорости молекул. Расчёт коэфф. Д. с помощью ф-лы Грина - Кубо очень сложен, однако он возможен с помощью ЭВМ. При выводе ф-лы Грина - Кубо для Д. не делается к--л. предположений о характере теплового движения, поэтому она справедлива для жидкостей, газов и твёрдых тел.

В жидкостях и газах возможен эффект выравнивания пассивных примесей (не меняющих заметно обычного коэфф. Д. и коэфф. вязкости) в турбулентном потоке (см. Турбулентная диффузия).

Диффузия в твёрдых телах. Процесс Д. в твёрдых телах может осуществляться с помощью неск. механизмов: обмен местами атомов кристаллич. структуры с её вакансиями ,перемещение атомов по междоузлиям (см. Межузельный атом), одновременное циклическое перемещение неск. атомов, обмен местами двух соседних атомов. При образовании твёрдых растворов замещения преобладает обмен местами атомов и вакансий.

Коэф. Д. в твёрдых телах очень зависит от дефектов структуры, увеличиваясь с ростом их числа. Для Д. в твёрдых телах характерна экспоненц. зависимость от температуры с энергией активации большей, чем у жидкостей. Коэф. Д. для цинка в медь возрастает в 1014 раз при повышении температуры от 30оC до 300оC.

Микроскопич. теория Д. атомов, основанная на механизме перескоков по вакансиям, была развита Я. И. Френкелем [5]. Замещение атомом кристалич. структуры вакансии связано с возможностью перехода его через потенц. барьер. Предполагается, что после перехода атома в вакансию он благодаря сильному взаимодействию его с соседними атомами успевает отдать часть энергии 1119935-231.jpg прежде, чем вернётся на своё прежнее место. Время пребывания данного атома в соседнем с вакансией узле равно

1119935-232.jpg

где 1119935-233.jpg - время порядка периода колебаний атомов кристаллич. структуры, соответствующих частоте акустич. спектра (1119935-234.jpg~10-13 с). Тогда коэф. самодиффузии будет иметь вид

1119935-235.jpg

где 1119935-236.jpg - энергия активации, а - постоянная решётки, U - энергия образования вакансии. Для разл. решёток W отличаются не очень сильно (напр., для свинца W1119935-237.jpg26 ккал/г*атом, для меди W1119935-238.jpg60 ккал/г*атом),а а и 1119935-239.jpg в ф-ле (12) могут сильно отличаться. Коэф. Д. в твёрдых телах можно оценить также с помощью теории Эйринга скоростей реакций, что приводит также к экспоненц. зависимости от температуры с энергией активации. Аналогичная теория была развита для Д. в неупорядоченных сплавах замещения, она позволила учесть влияние внедрённых атомов на самодиффузию металла, когда Д. уже не описывается одной экспонентой, т. к. на узлах с разл. конфигурацией атомов нужно преодолевать разл. потенц. барьеры. В том случае, когда Д. идёт путём обмена с вакансиями или одноврем. перемещения по замкнутому контуру, причём коэф. Д. компонент D1 и D2 различны, появляется результирующий поток вещества в направлении вещества с большим парциальным коэф. Д., пропорциональный 1119935-240.jpg (Киркендалла эффект).

Явление переноса нейтронов в конденсиров. среде, сопровождаемое многократным рассеянием, описывается кинетич. ур-нием, к-рое, вообще говоря, не сводится к ур-нию Д., однако диффузионное приближение оказывается часто полезным и при рассмотрении диффузии нейтронов.

При очень низких темп-pax в конденсиров. средах возможна квантовая диффузия атомов, к-рая определяется квантовым подбарьерным туннельным движением атомов, в отличие от классич. Д., к-рая определяется надбарьерными переходами атомов [9, 10]. Существ. отличие квантовой Д. состоит в том, что коэф. квантовой Д. отличен от нуля при стремлении температуры к нулю, его значение на мн. порядков больше, чем коэф. классич. Д. при тех же температурах.

Другие виды диффузий. К диффузионным процессам относят также нек-рые явления, не связанные с переносом частиц. Так, в оптике имеет место явление переноса излучения в неоднородной среде при многократных процессах испускания и поглощения фотонов, к-рое наз. диффузией излучения, однако это явление существенно отлично от Д. частиц, т. к. ур-ние баланса для плотности потока фотонов описывается интегр. ур-нием, к-рое не сводится к дифференц. ур-нию Д. В спиновых системах в магн. поле возможен процесс выравнивания ср. магн. момента в пространстве под влиянием спин-спинового взаимодействия - спиновая диффузия.

Литература по диффузии

  1. Гроот С. де, Мазур П., Неравновесная термодинамика, пер. с англ., M., 1964, гл. 11;
  2. Xаазе Р., Термодинамика необратимых процессов, пер. с нем., M., 1967, гл. 4;
  3. Чепмен С., Каулинг т., Математическая теория неоднородных газов, пер. с англ., M., 1960, гл. 10, 14;
  4. Ферцигер Дж., Капер Г., Математическая теория процессов переноса в газах, пер. с англ., M., 1976;
  5. Френкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей. Л., 1975;
  6. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., M., 1961, гл. 9;
  7. Грэй П., Кинетическая теория явлений переноса в простых жидкостях, в кн.: Физика простых жидкостей. Статистическая теория, пер. с англ., M., 1971;
  8. Смирнов А. А., Молекулярно-кинетическая теория металлов, M., 1966, гл. 8;
  9. Андреев А. Ф., Лифшиц И. M., Квантовая теория дефектов в кристаллах, "ЖЭТФ", 1969, т. 56, с. 2057;
  10. Каgan Yu., Кlingеr M. I., Theory of quantum diffusion of atoms in crystals, "J. Phys. C", 1974, v. 7, p. 2791;

Д. П. Зубарев

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?

Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).

Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.

Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.

Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.

Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 20.07.2019 - 05:34: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ - Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ - Карим_Хайдаров.
20.07.2019 - 05:30: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> Биологическая безопасность населения - Карим_Хайдаров.
20.07.2019 - 05:27: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
16.07.2019 - 10:00: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> РАСЧЕЛОВЕЧИВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА. КОМУ ЭТО НАДО? - Карим_Хайдаров.
16.07.2019 - 09:58: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от О.Н. Четвериковой - Карим_Хайдаров.
12.07.2019 - 17:46: ФИЗИКА ЭФИРА - Aether Physics -> Понятие времени и эфир - Владимир_Афонин.
11.07.2019 - 07:14: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
11.07.2019 - 06:57: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
07.07.2019 - 09:52: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> ПРОБЛЕМА ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА - Карим_Хайдаров.
03.07.2019 - 05:38: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского - Карим_Хайдаров.
27.06.2019 - 10:01: СЕЙСМОЛОГИЯ - Seismology -> Запасы воды под Землёй - Карим_Хайдаров.
27.06.2019 - 10:00: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ПРОБЛЕМА ПРЕСНОЙ ВОДЫ - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution