[科普中国]-热致扩散

热致扩散，又称索瑞（Soret）效应，是物体在加热或冷却过程中，各部分温度趋向一致能力的特征参数。又称导温系数。热扩散可以用于同位素的分离、沸点接近的物质分离，以及用于传统分离方法难以取得良好效果的物质分离。人们也可以观察到膜中的热渗透现象。1

简介质扩散和热传导耦合引起的热质扩散，常称之为索瑞效应和杜伏效应。在热质扩散中，由于温度梯度引起混合物中出现附加的浓度梯度而造成传质，是于1893年由索瑞（C. Soret）在液体中发现的。杜伏效应则是指由于各种物质互相扩散引起温度梯度，或者说，由于有浓度梯度引起温度梯度，这是杜伏（L. Dufour）于1872年在气体中发现的。杜伏效应是索瑞效应的逆效应。2

浓度梯度的形成在温度梯度中，原子有可能而且确实发生运动，因为在元素A的原子上有一驱动力fA，例如Denbigh（1951）给出此力的大小为：

式中Q*为迁移热，是一个大小或符号都难以估计的量，但在物理意义上是造成扩散跃迁的原子的过剩能量。对于一种气体或液体夹杂，Q为每个原子蒸发或熔化的潜热，但似乎没有确定Q*的通用法则适用于原子迁移（Ho，1966I Nichols，1972）。

对于通过空位机制进行扩散的金属的Q*值，有一个简单模型指出：

其中Em为空位移动的能量，β为稍低于1的因数，Et为空位的形成能。这个模型是以下述看法为根据的：原子的移动将沿温度梯度向下传输其一部分运动所需激活能（其余部分被周围原子传输），但运动要求沿空位的温度梯度向上迁移，这将传输其形成能。Ho指出，看来这种模型对于电子结构简单的金属（金，银，钢，铝）是相当适用的。这一结论得到Swalin和Yin（1967）的支持，但对某些过渡族金属，如钻、铁，钛和钻，发现的很大的热迁移值与简单的理论不一致。3

热致扩散及其研究方法当一个温度场外加给一种材料（或一个系统）时，在这种材料或系统内，就会发生热扩散，这就是Soret效应。Walker（1982）介绍了一种方法，研究Soret效应。他把洋中脊玄武岩研磨成粉末，在直径为2．4mm的Mo棒上，钻出φ1．6mm x8mm的圆柱形空穴，把样品装入其中，在活塞圆筒装置中进行实验。Mo棒圆柱形空穴的热端温度保持在1480±75℃，冷端保持在1215±75℃，压力为l0kbar，在干的条件下，加热137小时，热端放在垂直位置的下面，冷端放在上面，这样可以防止重力作用对Soret效应的影响。实验原样经电子探针分析，热端液体相当于安山岩质，冷端液体为Fe苦橄质（Ferro picfitic）。各种氧化物的扩散效府如下图所示。

从该图可以看出，外界的温度梯度使天然岩浆中的Fe、Mg、Ca、Ti等组分向冷端扩散，而Si、Al、Na、K等组分向热端扩散，这就是有名的Soret效应在岩浆作用中的体现。

因而，在低温端形成“链”和“环”为主的聚合体，在热端形成具架状结构的“三维网络”聚合体，显然，热端的“三维网络”聚合体的质量要低于冷端“链”和“环”等聚合体的质量。Soret效应就这样使岩浆中不同元素，因为所结合的结构单元存在“质量差”而分离。在这里，Soret效应与流体不混熔（液体熔离作用）作用分选结构单位的情形相似，但分选机制不同。在熔离作用中分选机制是由熔体结构上的不协调（不匹配）所致。1

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学