分子扩散

物质传递现象

分子扩散，也称分子传质，简称扩散，是由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象。扩散与温度有关，是质量传递的一种基本方式，是在浓度差或其他推动力的作用下，由于分子、原子等的热运动所引起的物质在空间的迁移现象。

简介

以浓度差为推动力的扩散，即物质组分从高浓度区向低浓度区的迁移，是自然界和工程上最普遍的扩散现象；以温度差为推动力的扩散称为热扩散；在电场、磁场等外力作用下发生的扩散，则称为强制扩散。

在化工生产中，物质在浓度差的推动下在足够大的空间中进行的扩散最为常见，一般分子扩散就指这种扩散，它是传质分离过程的物理基础，在化学反应工程中也占有重要地位。此外，还经常遇到流体在多孔介质中的扩散现象，它的扩散速率有时控制了整个过程的速率，如有些气固相反应过程的速率。至于热扩散只在稳定同位素和特殊物料的分离中有所应用，强制扩散则应用甚少。

费克定律

1855年德国人A.E.斐克提出描述分子扩散规律的基本定律。在组分A和B的混合物中,组分A的扩散速率（也称扩散通量）,即单位时间内组分A通过垂直于浓度梯度方向的单位截面扩散的物质量为：

式中，负号表示物质A向浓度减小的方向传递；为组分A在组分B中的分子扩散系数；为浓度CA的梯度。如果仅沿x方向变化，则简化为：

此式类似于热量传递中的傅里叶定律（见热传导）和动量传递中的牛顿粘性定律（见粘性流体流动）。

扩散系数

气体中的扩散系数

通常，扩散系数与系统的温度、压力、浓度以及物质的性质有关。对于双组分气体混合物，组分的扩散系数在低压下与浓度无关，只是温度及压力的函数。气体扩散系数可从有关资料中查得，某些双组分气体混合物的扩散系数列于附录一中。气体中的扩散系数，其值一般在范围内。

液体中的扩散系数

液体中溶质的扩散系数不仅与物系的种类、温度有关，而且随溶质的浓度而变。液体中的扩散系数可从有关资料中查得，某些低浓度下的二组元液体混合物的扩散系数列于附录一中。液体中的扩散系数，其值一般在范围内。

多孔介质中的扩散

物质在多孔介质中的扩散，根据孔道的大小、形状以及流体的压强不同分为三类情况。

①容积扩散。当毛细管孔道直径远大于分子平均自由程，即(分子平均自由程/2r)≤(1/100)（r为毛细孔道的平均半径）时，在分子的运动中主要发生分子与分子间的碰撞，分子与管壁的碰撞所占比例很小。其扩散机理与分子扩散相同，故也称分子扩散。孔内所含流体的分子扩散，仍可用斐克定律来计算；只需考虑多孔介质的空隙率ε和曲折因数τ（表示因毛细孔道曲折而增加的扩散距离），对一般的分子扩散系数加以修正。此时有效扩散系数为：。

②克努森扩散。如气体压强很低或毛细管孔径很小，气体分子平均自由程远大于毛细孔道直径，即(分子平均自由程/2r)≥10，这就使分子与壁面之间的碰撞机会大于分子间的碰撞机会。此时，物质沿孔扩散的阻力主要取决于分子与壁面的碰撞。根据气体分子运动论，可以推导出克努森扩散系数：。式中，r为毛细孔道的平均半径；T为绝对温度；为组分A的分子量。

③过渡区扩散。物质在毛细管中的运动情况介于上述分子扩散与克努森扩散之间，扩散系数为：。此式中如果项可以忽略，则扩散为分子扩散；如果项可以忽略，则扩散为克努森扩散。

热扩散

温度梯度加于静止的气体或液体混合物时，一种分子趋向高温区，另一种趋向低温区，从而在混合物内产生浓度梯度，这种现象又称为沙莱特效应。在两组分混合物中，给定组分A的热扩散通量用下式表示：

式中，为热扩散系数；T为绝对温度；ρ为流体密度。热扩散系数取决于分子的尺度和化学本质，其值常常比分子扩散系数小得多，很少大于分子扩散系数的30%。因此，除非在温度差很大且流体严格保持层流时，热扩散在大多数的传质操作中并不重要。

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