[科普中国]-自扩散系数

简介

自扩散系数是指物体中某一点的温度的扰动传递到另一点的速率的量度。用符号DT表示，表达式为DT=kTD。它是表示气体（或固体）扩散程度的物理量。在气体中，如果相距1厘米的两部分，其密度相差为1克/厘米^3，则在1秒内通过1厘米^2面积上的气体质量，规定为气体的扩散系数。

公式说明自扩散系数的表达式为DT=kTD。其中kT为热扩散比；D为热扩散系数。SI单位为：米2/秒，化工中常用：厘米2/秒，米2/时。物体中某一点的温度的扰动传递到另一点的速率的量度。可由下列关系式表示：α=λ/（ρ·Cp)。式中λ为热导率；ρ为物体的密度；Cp为物体的定压比热容，单位为m2/s。热扩散系数比热导率有更直觉的反应。就是说，热导率的高并不一定使你感到物体这头热了，那头很快就热；而热扩散系数大的材料就能使你感到“温度”很快从这头传到了那头。

超临界水密度和自扩散系数预测水是能在地球表面的热力学条件下自然存在汽、液、固三种物理状态的化合物，在地质、海洋、化学、生物等许多领域中都涉及到水溶液的问题。超临界水作为一种很有前途的反应介质应用于许多环境友好技术之中，引起了人们广泛的重视和深入的研究。在许多工程实际应用中，人们对从分子水平上了解水溶液的结构和传递性质的需求与日俱增。采用实验的手段研究超临界水的结构和传递性质是一项非常艰巨的工作，通常需要很苛刻的实验条件，而且费用高昂。随着计算机的普及，计算机分子模拟方法已逐步成为与理论研究平行的一种方法，采用分子模拟技术研究水溶液的性质正受到日益广泛的关注。

采用分子动力学方法模拟温度范围为673.15～873.15K，压力范围为22.1～131.3MPa条件下不同状态点水的密度和自扩散系数，经与实验结果进行对比。模拟体系为256个水分子，模拟系综为等温等压系综。模拟结果表明:密度和自扩散系数的模拟预测值与实验值基本一致;密度的模拟预测值大多低于实验值，最大相对误差小于-20%;自扩散系数的模拟预测值大多高于实验值，但最大相对误差小于±20%。在缺乏实验数据时，利用单点电荷（SPC)势能模型，可采用分子动力学方法预测超临界水的密度和自扩散系数1。

液态纯铁的自扩散系数研究进展学术界暂未找到非常理想的液体分析模型，导致了描述液体状态的困难，简化的硬球模型对液态金属的一些性质取得了成功的解释，在这个模型中，将液态金属原子作为一种惰性硬球来描述和处理，这种模型与分子动力学模拟方法具有一定的相似性2。

由于液体分子堆积密度较大，分子总处在较强相互作用的范围内，所以液相扩散系数的测量和理论描述远比气体及固体困难，未见液态纯铁的自扩散系数的实验结果报道，在液态纯铁的研究方面，David针对测量了地核区高温高压下的2~20GPa液态铁的自扩散系数。Jang等采用分子动力学方法研究了固态铁的自扩散系数，表明了在较低温度下分子动力学模拟存在一定的误差。Shu等采用MAEAM模型研究了固态铁的自扩散激活能，研究结果能与实验数据较好地符合。沈通等研究了1873K液态纯铁的分子动力学和耗散粒子动力学研究。王焕荣等研究了液态纯铁的微观原子模型，获得了液态纯铁在1550℃下晶格常数为0.305427nm3。