菲克定律

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简介

氧气的扩散系数可以通过菲克定律来解释。菲克定律描述了扩散过程，并于1855年由科学家阿道夫·菲克提出。该定律可用于求解扩散系数，用“D”表示。菲克第一定律可以用来推导出菲克第二定律，而菲克第二定律与扩散方程相同。

菲克定律主要有两条，分别是菲克第一定律，它将扩散通量与浓度梯度联系起来。它假设通量从高浓度区域流向低浓度区域，其大小与浓度梯度成正比。菲克第二定律预测了扩散如何导致浓度随时间变化。此外，菲克定律还有各种用途或应用。

什么是菲克扩散定律？

菲克扩散定律是一种描述扩散过程的扩散定律，该定律由科学家阿道夫·菲克于1855年提出。它可以用来求解或找到扩散系数，用符号D表示。

菲克定律是菲克第一扩散定律和菲克第二扩散定律的结合。第一定律可以用来推导出或找到第二定律，而第二定律与扩散方程相同或相似。遵循菲克定律的扩散过程被称为正常扩散或菲克扩散；否则，被称为反常扩散或非菲克扩散。菲克定律在各个领域都有一定的用途或应用。

克里斯托弗·罗利，氧分子在水中和戊烷中扩散的时间的均方位移函数，CC BY-SA 4.0

菲克第一定律

菲克第一定律将扩散通量与浓度梯度联系起来。它假设通量从高浓度区域流向低浓度区域，其大小与浓度梯度（也称为空间导数）成正比，或者可以描述为溶质将从高浓度区域跨浓度梯度移动到低浓度区域的概念。在一维或空间维度上，该定律可以用多种形式书写或表达，最常见的是基于摩尔的形式：

$$\mathrm{J=-D \frac{\text{d}φ}{\text{d}x}}$$

这里，

J表示扩散通量；它测量在单位时间内通过单位面积的物质量。

D表示扩散系数或扩散率

𝝓用于表示浓度，x是位置，其维度是长度。

菲克第二扩散定律

菲克第二扩散定律预测了扩散如何导致浓度随时间变化。它是一个偏微分方程，在一维中，写成：

$$\mathrm{\frac{\partial φ}{\partial t}=D\frac{\partial ^2 φ}{\partial x^2 }}$$

这里，

φ表示浓度，其维度为[(物质量 长度^-3)]，

t表示时间

D是扩散系数，其维度为[长度² 时间^-1]

x是位置或长度

菲克第二定律与热传导方程具有相同的数学形式，其基本解与热核相同或相似，只是将热导率替换为扩散系数。

多组分扩散

在将膜阻力模型用于传质到涉及同时扩散气体的多组分混合物的系统以及在这些系统中应用质量、动量和热传递类比时，会出现定义特定气体的平均扩散系数的问题。还表明，在某些情况下，使用扩散系数的平均值对扩散方程进行积分将无效。考虑了扩散系数的浓度依赖性，获得了扩散方程的近似解。

菲克定律的应用

以下是菲克定律的一些应用：

• 它具有药物应用。

• 当两种可混溶液体接触并发生宏观扩散时，菲克定律适用。

• 此外，菲克定律中的扩散方程用于制造集成电路。

• 菲克定律也应用于食品行业。

菲克定律的重要性

我们知道溶解在液体中的气体在液体中随机移动，这是一个热力学过程，可以很好地描述为扩散。我们知道气体在连续液体中的扩散速率是恒定的，液体中存在屏障会显着影响气体的扩散速率。气体穿过膜的扩散速率是呼吸生理学的一个重要方面，因为氧气和二氧化碳必须在气体交换过程中穿过肺泡膜。该定律描述了给定膜和气体的某些特性，溶解的气体穿过膜扩散的速率。

菲克扩散定律的概念

阿道夫·菲克首次报道或发现了控制质量通过扩散方式传输或运动的定律。菲克的工作受到托马斯·格雷厄姆的启发或指导，格雷厄姆没有提出菲克因此而闻名的基本定律。菲克定律类似于同一时期或对象由其他著名科学家发现的关系。菲克的实验总是涉及测量盐的浓度和通量，通过水管在两个水库之间扩散。可以观察到，菲克的工作主要关注流体中的扩散，因为当时，固体中的扩散通常不被认为是可能的。

结论

菲克扩散定律描述了扩散过程，并于1855年由科学家阿道夫·菲克提出。菲克定律主要有两条，分别是菲克第一定律，它将扩散通量与浓度梯度联系起来。它假设通量从高浓度区域流向低浓度区域，其大小与浓度梯度成正比。这些定律可用于求解扩散系数，用D表示。菲克第一定律可以用来推导出菲克第二定律，而菲克第二定律与扩散方程相同。此外，遵循菲克定律的扩散过程被称为正常扩散或菲克扩散；否则，被称为反常扩散或非菲克扩散。

常见问题

1. 定义扩散。

扩散定义为任何事物的净移动，通常是从高浓度区域到低浓度区域。

2. 什么是扩散系数？

扩散系数或扩散率定义为由于分子扩散引起的摩尔通量与物质浓度梯度之间的比例常数。

3. 可混溶液体是什么意思？

可混溶液体是指相互溶解形成均相混合物或溶液的液体。

4. 什么是扩散通量？

扩散通量，用J表示，定义为单位时间内单位面积物质量的度量。

5. 描述热导率。

材料的热导率定义为其传导热的能力的度量。用k或κ表示。