6.16. Диффузия
Это явление переноса имеет место в том случае, когда молекулы одного вещества попадают в другое вещество и благодаря хаотичному движению начинают в нём распространятся. Один газ может распространятся в другом, молекулы одной жидкости благодаря диффузии (проникновению) перемешиваются с молекулами другой.
Наконец, диффузия имеет место в твёрдых телах. Если твёрдое тело имеет пористую структуру, в нём хорошо диффундирует газ.Диффузия приводит к переносу массы вещества. Первое из уравнений (6.92) есть макроскопическое уравнение диффузии. Так же, как и в предыдущем случае, для выяснения смысла входящего в него коэффициента диффузии найдём перенесенную за время Dt массу DM, рассматривая хаотичное движение молекул, перелетающих через площадку DS по оси x и против неё (рис.6.17).
На рисунке 6.17(б) показано, что вдоль этой оси происходит падение плотности, а на рисунке 6.17(а) – что диффузия имеет место лишь через площадку DS. Через r1 и r2 обозначены плотности в точках, находящихся от площадки на расстоянии, равном длине свободного пробега.
В силу хаотичности движения молекулы будут перелетать в обоих направлениях оси x, перенося с собой свою массу. Тогда масса, перенесённая через DS за Dt секунд, будет:
 , | (6.106) |
где N1 и N2 – число молекул, перелетающих в разных направлениях через площадку DS за этот промежуток времени, а m0 – масса каждой из них. Величина N1 не равна N2, так как вдоль оси меняется концентрация:
 ;  . | (6.107) |
Подставляя эти значения в (6.106), получаем:
 . | (6.108) |
Разность концентраций может быть заменена через разность плотностей, так как очевидно, что
 . | (6.109) |
Значит
 . | (6.110) |
Используя формулу конечных приращений, разность плотностей можно выразить через градиент плотности (Dr @ r¢Dx):
 , | (6.111) |
и теоретическое уравнение для перенесенной массы примет вид:
 . | (6.112) |
Сопоставляя полученное равенство с макроуравнением (6.52), получим для коэффициента диффузии выражение
 . | (6.113) |
Заменив скорость хаотичного движения молекул по основному уравнению молекулярно-кинетической теории (6.67), получим:
 . | (6.114) |
То есть коэффициент диффузии растёт при увеличении температуры и зависит от массы одной молекулы: чем легче молекула, тем больше D.
На том факте, что легкие молекулы быстрее диффундируют, основано действие диффузионного насоса.
Этот насос осуществляет вакуум в откачиваемом сосуде тогда, когда обычный поршневой насос уже создал в сосуде низкое давление (форваккум). Принцип действия диффузионного насоса заключается в следующем: откачиваемый воздух продувается так, что рядом с ним, отделенные пористой перегородкой, находятся пары ртути. Коэффициент диффузии для них намного ниже, чем для молекул воздуха из-за большой массы их молекул. Поэтому ртуть практически не успевает диффундировать в ту половину сосуда, где находится откачиваемый воздух. Молекулы же воздуха постепенно диффундируют в пары ртути и удаляются вместе с ней.Существует диффузионный метод разделения изотопов. Изотопами называют атомы, принадлежащие одной клеточке таблицы Менделеева, то есть имеющие один порядковый номер, но различающиеся массой своего ядра (атома). В силу одинаковости заряда ядра изотопы имеют равное число электронов, значит, идентичны их химические свойства. Поэтому разделение их – сложное дело. Если смесь изотопов привести в газообразное состояние и продувать через сосуд, имеющий пористую преграду, за которой только вакуум, то лёгкий изотоп диффундирует в большем количестве в свободную часть сосуда. Многократное повторение процесса приведёт к практически полному отделению легких изотопов от более тяжелых.
Вопрос о разделении изотопов приобрел решающее значение для осуществления реакции деления ядер урана. Эта задача, помимо разделения изотопов самого урана, требовала ещё на первых порах и разделения "изотопов" воды – тяжелую воду D2O (D2 – дейтерий, тяжелый водород) – следовало отделить от легкой (H2O). В любом объеме обычной природной воды содержится приблизительно 0,7% тяжелой воды.