Difuzija

Difuzija je spontani transport materije ili energije pod uticajem odgovarajućeg gradijenta iz zone više u zonu niže energije ili koncentracije. Kao i mnogi spontani procesi, difuzija je entropijski vođen proces u kojem se energija ili materija koja difunduje uniformno raspoređuje u raspoloživom prostoru podižući time entropiju sistema.

Svaki proces difuzije odvija se pod uticajem odgovarajućeg gradijenta. Recimo difuzija materije se odigrava pod uticajem gradijenta koncentracije a difuzija toplote pod uticajem gradijenta temperature. Difuzija je diretkna posledica drugog principa termodinamike, koji kaže da entropija nekog neravnotežnog sistema može samo da raste, sve dok sistem ne dođe u ravnotežu. Obzirom da materija difunduje iz oblasti veće koncentracije u oblast manje koncentracije, sistem prelazi iz uređenijeg u manje uređen sistem, tj. entropija raste.

Kvantitativno, difuzija se opisuje Fikovim zakonima (prvi i drugi). Prvi Fikov zakon kaže da je fluks (J) proporcionalan gradijentu koncentracije. Drugi Fikov zakon se izvodi iz jednačine kontinuiteta. U jednodimenzionom sistemu:

Jednačina kontinuiteta:

∂ c ∂ t = − ∂ J ∂ x {\displaystyle {\frac {\partial c}{\partial t}}=-{\frac {\partial J}{\partial x}}}

1. Fikov zakon

J = − D ∂ c ∂ x {\displaystyle J=-D{\frac {\partial c}{\partial x}}}

2. Fikov zakon

∂ c ∂ t = ∂ ∂ x ( D ∂ c ∂ x ) {\displaystyle {\frac {\partial c}{\partial t}}={\frac {\partial }{\partial x}}\left(D{\frac {\partial c}{\partial x}}\right)}

Pri čemu za konstantan koeficijent difuzije, D, sledi:

∂ c ∂ t = D ∂ 2 c ∂ x 2 {\displaystyle {\frac {\partial c}{\partial t}}=D{\frac {\partial ^{2}c}{\partial x^{2}}}} .

2. Fikov zakon u trodimenzionom sistemu

∂ c ∂ t = ∇ ⋅ ( D ∇ c ) {\displaystyle {\frac {\partial c}{\partial t}}=\nabla \cdot \left(D\nabla c\right)}

Rešavanje difuzione jednačine je po pravilu veoma komplikovano, tj. moguće samo uz pomoć primene numeričke matematike.

Difuzija ima izvanredno važnu ulogu u svakodnevnom životu i u nauci. U većini procesa u kuhinji difuzija igra važnu ulogu od mariniranja (difuzija začina u namirnicu) do kuvanje čaja (čaj od sleza - ostavi se da iz korena sastojci budućeg čaja difunduju u vodu).

Difuzija je ključni proces u biološkim sistemima.

Poveznice

Difuzija kroz ćelijsku membranu
Difuzija na Wikimedijinoj ostavi