[科普中国]-传递扩散系数

传递扩散系数包括两个方面，一个是传递系数，另一个是扩散系数。二者在化学、热力学，分散系学上都有极为广阔的应用。

传递过程与扩散过程传递过程也称传递现象，指物系内某物理量从高强度区域自动地向低强度区域转移的过程，是自然界和生产中普遍存在的现象。对于物系的每一个具有强度性质的物理量（如速度、温度、浓度）来说，都存在着相对平衡的状态。当物系偏离平衡状态时，就会发生某种物理量的这种转移过程，使物系趋向平衡状态，所传递的物理量可以是质量、能量、动量或电量等。例如物系内温度不均匀，则热量将由高温区向低温区传递。在化工生产中所处理的物料主要是流体，所涉及到的只是动量、热量和质量。因此，在化工中传递过程常用作流体中的动量传递、热量传递和质量传递三种传递过程的总称。在化工设备中，因所发生的过程不同，三种传递过程可能分别单独存在；也可能是其中任意两种或三种过程同时存在。对这三种传递现象的物理化学原理和计算方法的研究，是单元操作和化学反应工程研究的基础。所以，传递过程是化学工程的一个分支。

扩散则是物质分子从高浓度区域向低浓度区域转移，直到均匀分布的现象。扩散的速率与物质的浓度梯度成正比。由于分子(原子等)的热运动而产生的物质迁移现象．一般可发生在一种或几种物质于同一物态或不同物态之间，由不同区域之间的浓度差或温度差所引起，前者居多．一般从浓度较高的区域向较低的区域进行扩散，直到同一物态内各部分各种物质的浓度达到均匀或两种物态间各种物质的浓度达到平衡为止．显然，由于分子的热运动，这种“均匀”、“平衡”都属于“动态平衡”，即在同一时间内，界面两侧交换的粒子数相等，如红棕色的二氧化氮气在静止的空气中的散播，蓝色的硫酸铜溶液与静止的水相互渗入，钢制零件表面的渗碳以及使纯净半导体材料成为N型或P型半导体掺杂工艺等等都是扩散现象的具体体现；在电学中半导体PN结的形成过程中，自由电子和空穴的扩散运动是基本依据．扩散速度在气体中最大，液体中其次，固体中最小，而且浓度差越大、温度越高、参与的粒子质量越小，扩散速度也越大。1

传递扩散系数相关简介传递系数是根据速率等于推动力除以阻力的一般规律，传递系数的倒数即为此传递过程中的传递阻力。由于浓度有多种单位，所以传递系数也有相应的多种单位。传递系数与传热系数类似，与流体物性、流动状况以及界面的几何形状和尺寸等因素有关，是传递研究的中心问题之一。而扩散系数是因分子扩散而产生的分子通量和分子浓度梯度之间的比例。在菲克定律及许多物理化学的方程中都有提及扩散系数。扩散系数一般都是用在多成分的系统中，会列出二个成分，而且成对比较。此成分的扩散系数越高，它越容易扩散到其他成分中。一般而言，一般化合物对空气的质量扩散率约为对水的质量扩散率的10000倍，二氧化碳对空气的质量扩散率为16 mm2/s，对水的扩散率则为0.0016 mm2/s。关于物质扩散过程的描述，由菲克定律给出：

（1）在单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质流量（称为扩散通量Diffusion flux，用J表示）与该截面处的浓度梯度(Concentration gradient)成正比，也就是说，浓度梯度越大，扩散通量越大。这就是菲克第一定律。

（2）菲克第二定律是在第一定律的基础上推导出来的。菲克第二定律指出，在非稳态扩散过程中，在距离x处，浓度随时间的变化率等于该处的扩散通量随距离变化率的负值。2

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陈红 - 副教授 - 西南大学