विसरण

This article is about समय आधारित प्रक्रिया की सामान्य अवधारणा. For other uses, see विसरण (disambiguation).

कुछ कण एक गिलास पानी में विलयन (रसायन विज्ञान) हैं। सबसे पहले, सभी कण कांच के एक शीर्ष कोने के पास होते हैं। यदि कण पानी में बेतरतीब ढंग से इधर-उधर (फैलाना) घूमते हैं, तो वे अंततः उच्च सांद्रता वाले क्षेत्र से कम, और संगठित (विसरण जारी रहता है, लेकिन शुद्ध प्रवाह के बिना) बेतरतीब ढंग से और समान रूप से वितरित हो जाते हैं।

1:10

एक जेल में पानी में घुले डाई के विसरण का टाइम लैप्स वीडियो।

सूक्ष्म और स्थूल दृष्टिकोण से विसरण। प्रारंभ में, एक बाधा (बैंगनी रेखा) के बाईं ओर विलेय अणु होते हैं और दाईं ओर कोई नहीं होता है। बाधा हटा दी जाती है, और विलेय पूरे कंटेनर को भरने के लिए विसरित हो जाता है। शीर्ष: एक अणु बेतरतीब ढंग से इधर-उधर घूमता है। मध्य: अधिक अणुओं के साथ, एक सांख्यिकीय प्रवृत्ति है कि विलेय कंटेनर को अधिक से अधिक समान रूप से भरता है। नीचे: विलेय अणुओं की एक विशाल संख्या के साथ, सभी यादृच्छिकता समाप्त हो गई है: विलेय सुचारू रूप से और निश्चित रूप से उच्च-सघनता वाले क्षेत्रों से कम-सांद्रता वाले क्षेत्रों में स्थानांतरित होता प्रतीत होता है। अणुओं को दाहिनी ओर धकेलने वाला कोई सूक्ष्म बल नहीं है, लेकिन नीचे के पैनल में एक प्रतीत होता है। इस आभासी बल को एंट्रोपिक बल कहते हैं।

पानी में बैंगनी रंग के विसरण का त्रि-आयामी प्रतिपादन।

विसरण सामान्यतः किसी भी चीज़ (उदाहरण के लिए, परमाणु, आयन, अणु, ऊर्जा) का शुद्ध संचलन है जो सामान्यतः उच्च सांद्रता वाले क्षेत्र से कम सांद्रता वाले क्षेत्र में होता है। विसरण गिब्स मुक्त ऊर्जा या रासायनिक क्षमता में प्रवणता द्वारा संचालित होता है। स्पिनोडल अपघटन की तरह, कम सांद्रता वाले क्षेत्र से उच्च सांद्रता वाले क्षेत्र में "चढ़ाई" को फैलाना संभव है।

विसरण की अवधारणा व्यापक रूप से कई क्षेत्रों में उपयोग की जाती है, जिसमें भौतिकी (कण विसरण), रसायन विज्ञान, जीव विज्ञान, समाजशास्त्र, अर्थशास्त्र और वित्त (लोगों, विचारों और मूल्य मूल्यों का विसरण) सम्मिलित हैं। विसरण का केंद्रीय विचार, हालांकि, इन सभी के लिए सामान्य है: एक पदार्थ या संग्रह जो विसरण से गुजर रहा है वह उस बिंदु या स्थान से फैलता है जहां उस पदार्थ या संग्रह की उच्च सांद्रता होती है।

प्रवणता एक मात्रा के मूल्य में परिवर्तन है, उदाहरण के लिए, एकाग्रता, दबाव, या तापमान दूसरे चर में परिवर्तन के साथ, सामान्यतः दूरी। किसी दूरी पर सान्द्रता में परिवर्तन को सान्द्रता प्रवणता कहते हैं, दूरी में दाब में परिवर्तन को दाब प्रवणता कहते हैं, और दूरी में तापमान में परिवर्तन को ताप प्रवणता कहते हैं।

विसरण शब्द लैटिन शब्द से निकला है, जिसके अंतर्गत अंतर है, जिसका अर्थ है "फैलना"।

विसरण की एक विशिष्ट विशेषता यह है कि यह कण यादृच्छिक चलने पर निर्भर करता है, और निर्देशित बल्क गति की आवश्यकता के बिना मिश्रण या बड़े पैमाने पर परिवहन में परिणाम होता है। बल्क मोशन, या बल्क फ्लो, संवहन की विशेषता है। संवहन शब्द का प्रयोग दोनों परिवहन परिघटनाओं के संयोजन का वर्णन करने के लिए किया जाता है।

यदि किसी विसरण प्रक्रिया को फ़िक के नियमों द्वारा वर्णित किया जा सकता है, तो इसे सामान्य विसरण (या फ़िकियन विसरण) कहा जाता है; अन्यथा, इसे विषम विसरण (या गैर-फ़िकियन विसरण) कहा जाता है।

विसरण की सीमा के बारे में बात करते समय, दो अलग-अलग परिदृश्यों में दो लंबाई के पैमाने का उपयोग किया जाता है:

1. आवेगी बिंदु स्रोत की ब्राउनियन गति (उदाहरण के लिए, इत्र का एक एकल स्प्रे) - इस बिंदु से औसत वर्ग विस्थापन का वर्गमूल। फ़िकियन विसरण में, यह ${\sqrt {2nDt}}$ है, जहाँ $n$ इस ब्राउनियन गति का आयाम है;
2. आयाम में निरंतर एकाग्रता स्रोत-विसरण की लंबाई। फिकियन विसरण में, यह $2{\sqrt {Dt}}$ है।

विसरण बनाम बल्क प्रवाह

"बल्क फ्लो" एक दबाव प्रवणता (उदाहरण के लिए, नल से निकलने वाला पानी) के कारण पूरे शरीर की गति/प्रवाह है। "डिफ्यूजन" एक शरीर के भीतर एकाग्रता का क्रमिक संचलन/फैलाव है, एक सघनता प्रवणता के कारण, पदार्थ के शुद्ध संचलन के बिना। एक प्रक्रिया का एक उदाहरण जहां थोक गति और विसरण दोनों होते हैं, वह मानव श्वास है।

सबसे पहले, एक "बल्क फ्लो" प्रक्रिया है। फेफड़े वक्ष गुहा में स्थित होते हैं, जो बाहरी श्वसन के पहले चरण के रूप में फैलता है। यह विस्तार फेफड़ों में एल्वियोली की मात्रा में वृद्धि की ओर जाता है, जिससे एल्वियोली में दबाव में कमी होती है। यह अपेक्षाकृत उच्च दबाव पर शरीर के बाहर की हवा और अपेक्षाकृत कम दबाव पर एल्वियोली के बीच दबाव प्रवणता बनाता है। हवा फेफड़ों के वायुमार्गों के माध्यम से और एल्वियोली में तब तक दबाव प्रवणता को नीचे ले जाती है जब तक कि हवा का दबाव और एल्वियोली में बराबर न हो जाए, यानी बल्क फ्लो द्वारा हवा का संचलन बंद हो जाता है जब दबाव प्रवणता नहीं रह जाती है .

दूसरा, एक "विसरण" प्रक्रिया होती है। एल्वियोली में पहुंचने वाली हवा में एल्वियोली में "बासी" हवा की तुलना में ऑक्सीजन की अधिक मात्रा होती है। ऑक्सीजन की सांद्रता में वृद्धि एल्वियोली में हवा और एल्वियोली को घेरने वाली केशिकाओं में रक्त के बीच ऑक्सीजन के लिए एक सांद्रता प्रवणता बनाती है। ऑक्सीजन तब विसरण द्वारा, सांद्रण प्रवणता के नीचे, रक्त में जाता है। एल्वियोली में आने वाली हवा का दूसरा परिणाम यह है कि एल्वियोली में कार्बन डाइआक्साइड की सांद्रता कम हो जाती है। यह रक्त से एल्वियोली में फैलने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड के लिए एक सघनता प्रवणता बनाता है, क्योंकि शरीर में रक्त की तुलना में ताजी हवा में कार्बन डाइऑक्साइड की बहुत कम सांद्रता होती है।

तीसरा, एक और "बल्क फ्लो" प्रक्रिया है। हृदय की पंपिंग क्रिया तब रक्त को पूरे शरीर में पहुंचाती है। जैसे ही हृदय का बायां निलय सिकुड़ता है, आयतन घटता है, जिससे निलय में दबाव बढ़ जाता है। यह हृदय और केशिकाओं के बीच एक दबाव प्रवणता बनाता है, और रक्त रक्त वाहिकाओं के माध्यम से दबाव प्रवणता के बल्क प्रवाह से चलता है।

विभिन्न विषयों के संदर्भ में विसरण

थर्मल ऑक्सीकरण के लिए उपयोग की जाने वाली विसरण भट्टियां

विसरण की अवधारणा का व्यापक रूप से भौतिकी (कण विसरण), रसायन विज्ञान, जीव विज्ञान, समाजशास्त्र, अर्थशास्त्र और वित्त (लोगों, विचारों और मूल्य मूल्यों का विसरण) में उपयोग किया जाता है। हालाँकि, प्रत्येक मामले में, विसरण से गुजरने वाला पदार्थ या संग्रह उस बिंदु या स्थान से "फैल रहा है" जहाँ उस पदार्थ या संग्रह की उच्च सांद्रता होती है।

विसरण की धारणा को पेश करने के दो तरीके हैं: या तो फ़िक के विसरण के नियमों और उनके गणितीय परिणामों के साथ शुरू होने वाला एक घटनात्मक दृष्टिकोण या विसरित कणों के यादृच्छिक चलने पर विचार करके एक भौतिक और परमाणु दृष्टिकोण।

परिघटना संबंधी दृष्टिकोण में, विसरण एक पदार्थ का उच्च सांद्रता वाले क्षेत्र से बिना बल्क गति के कम सांद्रता वाले क्षेत्र की ओर गति है। फिक के नियमों के मुताबिक, विसरण प्रवाह सांद्रता के ऋणात्मक प्रवणता के समानुपाती होता है। यह उच्च सघनता वाले क्षेत्रों से निम्न सान्द्रता वाले क्षेत्रों की ओर जाता है। कुछ समय बाद, ऊष्मप्रवैगिकी और गैर-संतुलन थर्मोडायनामिक्स के ढांचे में फ़िक के नियमों के विभिन्न सामान्यीकरण विकसित किए गए।

परमाणु के दृष्टिकोण से, विसरण को विसरण करने वाले कणों के यादृच्छिक चलने का परिणाम माना जाता है। आणविक विसरण में, गतिशील अणु तापीय ऊर्जा द्वारा स्व-चालित होते हैं। 1827 में रॉबर्ट ब्राउन द्वारा एक द्रव में निलंबन में छोटे कणों की एक यादृच्छिक चाल की खोज की गई, जिन्होंने पाया कि एक तरल माध्यम में निलंबित सूक्ष्म कण और एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत दिखाई देने के लिए पर्याप्त रूप से ज्ञात कणों की एक तीव्र और निरंतर अनियमित गति, ब्राउनियन आंदोलन के रूप में प्रदर्शित करते हैं। ब्राउनियन गति का सिद्धांत और विसरण की परमाणु पृष्ठभूमि अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा विकसित की गई थी। विसरण की अवधारणा सामान्यतः किसी भी विषय वस्तु पर लागू होती है जिसमें व्यक्तियों के पहनावे में यादृच्छिक चलना सम्मिलित होता है।

रसायन विज्ञान और सामग्री विज्ञान में, विसरण का अर्थ झरझरा ठोस पदार्थों में द्रव अणुओं की गति है। आणविक विसरण तब होता है जब किसी अन्य अणु के साथ टकराने की संभावना छिद्र की दीवारों से टकराने की तुलना में अधिक होती है। ऐसी परिस्थितियों में, विसारकता एक गैर-सीमित स्थान के समान है और औसत मुक्त पथ के समानुपाती है। नुडसन विसरण तब होता है जब छिद्र व्यास छिद्र के माध्यम से फैलाने वाले अणु के औसत मुक्त पथ से तुलनीय या उससे छोटा होता है। इस स्थिति में, छिद्रों की दीवारों से टकराने की संभावना धीरे-धीरे अधिक हो जाती है और विसरण कम होता है। अंत में, विन्यासात्मक विसरण होता है, जो तब होता है जब अणुओं का आकार छिद्र के आकार के बराबर होता है। इस स्थिति के तहत, आणविक विसरण की तुलना में विसरण बहुत कम होता है और अणु के गतिज व्यास में छोटे अंतर के कारण विसरण में बड़े अंतर होते हैं।

विसरण द्वारा आयनों या अणुओं की गति का वर्णन करने के लिए जीवविज्ञानी अक्सर "नेट मूवमेंट" या "नेट डिफ्यूज़न" शब्द का उपयोग करते हैं। उदाहरण के लिए, कोशिका झिल्लियों के माध्यम से ऑक्सीजन तब तक फैल सकती है जब तक कोशिका के बाहर ऑक्सीजन की उच्च सांद्रता होती है। हालाँकि, क्योंकि अणुओं की गति यादृच्छिक होती है, कभी-कभी ऑक्सीजन के अणु कोशिका से बाहर निकल जाते हैं (एकाग्रता प्रवणता के विरुद्ध)। चूंकि कोशिका के बाहर अधिक ऑक्सीजन अणु होते हैं, इसलिए ऑक्सीजन अणुओं के कोशिका में प्रवेश करने की संभावना इस संभावना से अधिक होती है कि ऑक्सीजन के अणु कोशिका को छोड़ देंगे। इसलिए, ऑक्सीजन अणुओं का "शुद्ध" आंदोलन (कोशिका में प्रवेश करने वाले या छोड़ने वाले अणुओं की संख्या के बीच का अंतर) कोशिका में होता है। दूसरे शब्दों में, सघनता प्रवणता के नीचे ऑक्सीजन अणुओं का एक शुद्ध संचलन होता है।

भौतिक विज्ञान में विसरण का इतिहास

समय के दायरे में, विसरण के सिद्धांत के निर्माण से बहुत पहले ठोस पदार्थों में विसरण का उपयोग किया गया था। उदाहरण के लिए, प्लिनी द एल्डर ने पहले सिमेंटेशन प्रक्रिया का वर्णन किया था, जो कार्बन विसरण के माध्यम से लौह तत्व (Fe) से स्टील का उत्पादन करता है। एक और उदाहरण जो कई सदियों से अच्छी तरह से जाना जाता है, रंगीन कांच या मिट्टी के बरतन और चीनी चीनी मिट्टी के बरतन के रंगों का विसरण है।

आधुनिक विज्ञान में, विसरण का पहला व्यवस्थित प्रयोगात्मक अध्ययन थॉमस ग्राहम द्वारा किया गया था। उन्होंने गैसों में विसरण का अध्ययन किया, और मुख्य घटना का वर्णन उनके द्वारा 1831-1833 में किया गया था।

    "... विभिन्न प्रकृति की गैसें, जब संपर्क में लाई जाती हैं, तो वे अपने घनत्व के अनुसार खुद को व्यवस्थित नहीं करतीं, सबसे भारी नीचे और सबसे हल्की ऊपर, लेकिन वे एक दूसरे के माध्यम से सहज रूप से, परस्पर और समान रूप से फैलती हैं, और इस तरह से रहती हैं। किसी भी लम्बाई के लिए मिश्रण की अंतरंग अवस्था।"

ग्राहम की माप ने जेम्स क्लर्क मैक्सवेल को 1867 में हवा में सीओ 2 के विसरण के गुणांक में योगदान दिया। त्रुटि दर 5% से कम है।

1855 में, ज्यूरिख के 26 वर्षीय शरीर रचना प्रदर्शनकर्ता एडॉल्फ फिक ने विसरण के अपने कानून का प्रस्ताव रखा। उन्होंने अपने लक्ष्य को "अंतरिक्ष के एक तत्व में विसरण के संचालन के लिए एक मौलिक कानून के विकास" के रूप में बताते हुए ग्राहम के शोध का उपयोग किया। उन्होंने गर्मी या बिजली के विसरण और चालन के बीच एक गहरी सादृश्यता का दावा किया, गर्मी चालन के लिए फूरियर के नियम (1822) और विद्युत धारा (1827) के लिए ओम के नियम के समान एक औपचारिकता का निर्माण किया।

रॉबर्ट बॉयल ने 17वीं शताब्दी में एक तांबे के सिक्के में जस्ते की पैठ बनाकर ठोस पदार्थों में विसरण का प्रदर्शन किया। फिर भी, 19वीं शताब्दी के दूसरे भाग तक ठोस पदार्थों में विसरण का व्यवस्थित अध्ययन नहीं किया गया था। विलियम चांडलर रॉबर्ट्स-ऑस्टेन, प्रसिद्ध ब्रिटिश धातुविज्ञानी और थॉमस ग्राहम के पूर्व सहायक ने 1896 में सीसे में सोने के उदाहरण पर व्यवस्थित रूप से ठोस अवस्था विसरण का अध्ययन किया।

    "... ग्राहम के शोधों के साथ मेरे लंबे संबंध ने धातुओं के तरल विसरण पर अपने काम का विस्तार करने का प्रयास करना लगभग एक कर्तव्य बना दिया।"

1858 में, रुडोल्फ क्लॉज़ियस ने माध्य मुक्त पथ की अवधारणा पेश की। उसी वर्ष, जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने गैसों में परिवहन प्रक्रियाओं का पहला परमाणु सिद्धांत विकसित किया। विसरण और ब्राउनियन गति का आधुनिक परमाणु सिद्धांत अल्बर्ट आइंस्टीन, मैरियन स्मोलुचोव्स्की और जीन-बैप्टिस्ट पेरिन द्वारा विकसित किया गया था। लुडविग बोल्ट्जमैन ने मैक्रोस्कोपिक परिवहन प्रक्रियाओं की परमाणु पृष्ठभूमि के विकास में बोल्ट्जमैन समीकरण की शुरुआत की, जिसने गणित और भौतिकी को परिवहन प्रक्रिया के विचारों और चिंताओं के स्रोत के रूप में 140 से अधिक वर्षों तक सेवा प्रदान की है।

1920-1921 में, जॉर्ज डे हेवेसी ने रेडियो आइसोटोप का उपयोग करके स्व-विसरण को मापा। उन्होंने तरल और ठोस सीसे में सीसे के रेडियोधर्मी समस्थानिकों के स्व-विसरण का अध्ययन किया।

याकोव फ्रेनकेल (कभी-कभी, जैकब / जैकब फ्रेनकेल) ने 1926 में प्रस्तावित और विस्तृत किया, स्थानीय दोषों (रिक्तियों और अंतरालीय परमाणुओं) के माध्यम से क्रिस्टल में विसरण का विचार। उन्होंने निष्कर्ष निकाला, संघनित पदार्थ में विसरण प्रक्रिया प्राथमिक छलांग और कणों और दोषों के अर्ध-रासायनिक अंतःक्रियाओं का एक संयोजन है। उन्होंने विसरण के कई तंत्र पेश किए और प्रायोगिक डेटा से दर स्थिरांक पाए।

कुछ समय बाद, कार्ल वैगनर और वाल्टर एच. शोट्की ने विसरण की क्रियाविधि के बारे में फ्रेंकेल के विचारों को और विकसित किया। वर्तमान में, यह सर्वमान्य है कि क्रिस्टल में विसरण की मध्यस्थता के लिए परमाणु दोष आवश्यक हैं।

सह-लेखकों के साथ हेनरी आइरिंग ने निरपेक्ष प्रतिक्रिया दर के अपने सिद्धांत को फ्रेनकेल के विसरण के अर्ध-रासायनिक मॉडल पर लागू किया। रिएक्शन कैनेटीक्स और डिफ्यूज़न के बीच की सादृश्यता फिक के नियम के विभिन्न अरैखिक संस्करणों की ओर ले जाती है।

विसरण के मूल मॉडल

विसरण प्रवाह

विसरण का प्रत्येक मॉडल सांद्रता, घनत्व और उनके डेरिवेटिव (संजात) के उपयोग के साथ विसरण प्रवाह को व्यक्त करता है। फ्लक्स एक वेक्टर है $\mathbf {J}$ स्थानांतरण की मात्रा और दिशा का प्रतिनिधित्व करता है। एक छोटा सा क्षेत्र दिया $\Delta S$ सामान्य के साथ ${\boldsymbol {\nu }}$ भौतिक मात्रा का स्थानांतरण $N$ क्षेत्र के माध्यम से $\Delta S$ समय के लिए $\Delta t$ है

$\Delta N=(\mathbf {J} ,{\boldsymbol {\nu }})\,\Delta S\,\Delta t+o(\Delta S\,\Delta t)\,,$

जहाँ$(\mathbf {J} ,{\boldsymbol {\nu }})$ आंतरिक उत्पाद है और $o(\cdots )$ लिटिल-ओ नोटेशन है। यदि हम वेक्टर क्षेत्र के अंकन का उपयोग करते हैं $\Delta \mathbf {S} ={\boldsymbol {\nu }}\,\Delta S$ तब

$\Delta N=(\mathbf {J} ,\Delta \mathbf {S} )\,\Delta t+o(\Delta \mathbf {S} \,\Delta t)\,.$

विसरण प्रवाह का आयामी विश्लेषण [प्रवाह] = [मात्रा]/([समय]·[क्षेत्र]) है। फैलाने वाली भौतिक मात्रा $N$ कणों की संख्या, द्रव्यमान, ऊर्जा, विद्युत आवेश या कोई अन्य अदिश व्यापक मात्रा हो सकती है। इसके घनत्व के लिए, $n$, विसरण समीकरण का रूप है

${\frac {\partial n}{\partial t}}=-\nabla \cdot \mathbf {J} +W\,,$

जहाँ $W$ इस मात्रा के किसी भी स्थानीय स्रोत की तीव्रता है (उदाहरण के लिए, रासायनिक प्रतिक्रिया की दर)। विसरण समीकरण के लिए, नो-फ्लक्स सीमा की स्थिति के रूप में तैयार की जा सकती है $(\mathbf {J} (x),{\boldsymbol {\nu }}(x))=0$ सीमा पर, जहां ${\boldsymbol {\nu }}$ बिंदु पर सीमा के लिए सामान्य है $x$.

फ़िक का नियम और समीकरण

Main article: फिक के प्रसार के नियम

फ़िक का पहला नियम: विसरण प्रवाह सांद्रण प्रवणता के ऋणात्मक के समानुपाती होता है:

$\mathbf {J} =-D\,\nabla n\ ,\;\;J_{i}=-D{\frac {\partial n}{\partial x_{i}}}\ .$

संबंधित विसरण समीकरण (फिक का दूसरा नियम) है

${\frac {\partial n(x,t)}{\partial t}}=\nabla \cdot (D\,\nabla n(x,t))=D\,\Delta n(x,t)\ ,$

जहाँ $\Delta$ लाप्लास ऑपरेटर है,

$\Delta n(x,t)=\sum _{i}{\frac {\partial ^{2}n(x,t)}{\partial x_{i}^{2}}}\ .$

बहुघटक विसरण और थर्मोडिफ्यूजन के लिए ऑनसेगर के समीकरण

फिक का नियम एक माध्यम में मिश्रण के विसरण का वर्णन करता है। इस मिश्रण की सघनता कम होनी चाहिए और इस सान्द्रता की प्रवणता भी छोटी होनी चाहिए। फिक के नियम में विसरण की प्रेरणा शक्ति एकाग्रता का प्रतिगामी है, $-\nabla n$.

1931 में, लार्स ऑनसेगर रैखिक गैर-संतुलन ऊष्मप्रवैगिकी के सामान्य संदर्भ में बहुघटक परिवहन प्रक्रियाओं को सम्मिलित किया। मल्टी-कंपोनेंट ट्रांसपोर्ट के लिए:

$\mathbf {J} _{i}=\sum _{j}L_{ij}X_{j}\,,$

जहाँ $\mathbf {J} _{i}$ iवें भौतिक मात्रा (घटक) का प्रवाह है और $X_{j}$ jवें संयुग्मी चर (थर्मोडायनामिक्स) है।

एन्ट्रापी घनत्व के डेरिवेटिव्स के स्पेस ग्रेडियेंट के रूप में परिवहन प्रक्रियाओं के लिए थर्मोडायनामिक बलों को ऑनसेजर द्वारा पेश किया गया था। $s$ (उन्होंने उद्धरण चिह्नों या ड्राइविंग बल में शब्द बल का प्रयोग किया):

$X_{i}=\nabla {\frac {\partial s(n)}{\partial n_{i}}}\,,$

जहाँ $n_{i}$ थर्मोडायनामिक निर्देशांक हैं। गर्मी और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण के लिए कोई भी ले सकता है $n_{0}=u$ (आंतरिक ऊर्जा का घनत्व) और $n_{i}$ की सांद्रता $i$वें घटक है । संगत प्रेरक बल स्पेस सदिश हैं

$X_{0}=\nabla {\frac {1}{T}}\ ,\;\;\;X_{i}=-\nabla {\frac {\mu _{i}}{T}}\;(i>0),$ चूंकि $\mathrm {d} s={\frac {1}{T}}\,\mathrm {d} u-\sum _{i\geq 1}{\frac {\mu _{i}}{T}}\,{\rm {d}}n_{i}$

जहाँ T पूर्ण तापमान है और $\mu _{i}$ की रासायनिक क्षमता है $i$वें घटक। यह जोर दिया जाना चाहिए कि अलग-अलग विसरण समीकरण थोक गति के बिना मिश्रण या बड़े पैमाने पर परिवहन का वर्णन करते हैं। इसलिए, कुल दबाव की भिन्नता वाली शर्तों की उपेक्षा की जाती है। छोटे मिश्रणों के विसरण और छोटे ग्रेडियेंट के लिए यह संभव है।

रैखिक ऑनसेजर समीकरणों के लिए, हमें थर्मोडायनामिक बलों को संतुलन के निकट रैखिक सन्निकटन में लेना चाहिए:

$X_{i}=\sum _{k\geq 0}\left.{\frac {\partial ^{2}s(n)}{\partial n_{i}\,\partial n_{k}}}\right|_{n=n^{*}}\nabla n_{k}\ ,$

जहाँ के डेरिवेटिव $s$ संतुलन पर गणना की जाती है $n^{*}$काइनेटिक गुणांक का मैट्रिक्स $L_{ij}$ सममित होना चाहिए (ऑनसेजर पारस्परिक संबंध) और धनात्मक-निश्चित मैट्रिक्स (ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम)।

ट्रांसपोर्ट समीकरण हैं

${\frac {\partial n_{i}}{\partial t}}=-\operatorname {div} \mathbf {J} _{i}=-\sum _{j\geq 0}L_{ij}\operatorname {div} X_{j}=\sum _{k\geq 0}\left[-\sum _{j\geq 0}L_{ij}\left.{\frac {\partial ^{2}s(n)}{\partial n_{j}\,\partial n_{k}}}\right|_{n=n^{*}}\right]\,\Delta n_{k}\ .$

यहाँ, सभी index i, j, k = 0, 1, 2, ... आंतरिक ऊर्जा (0) और विभिन्न घटकों से संबंधित हैं। वर्ग कोष्ठक में अभिव्यक्ति मैट्रिक्स है $D_{ik}$ विसरण (i,k > 0), थर्मोडिफ़्यूज़न (i > 0, k = 0 or k > 0, i = 0) और तापीय चालकता (i = k = 0) गुणांक।

इज़ोटेर्मल प्रक्रिया के तहत टी = स्थिर। प्रासंगिक थर्मोडायनामिक क्षमता मुक्त ऊर्जा (या मुक्त एन्ट्रापी ) है। इज़ोटेर्मल डिफ्यूज़न के लिए थर्मोडायनामिक ड्राइविंग बल रासायनिक क्षमता के एंटीग्रेडिएंट हैं, $-(1/T)\,\nabla \mu _{j}$, और विसरण गुणांक का मैट्रिक्स है

$D_{ik}={\frac {1}{T}}\sum _{j\geq 1}L_{ij}\left.{\frac {\partial \mu _{j}(n,T)}{\partial n_{k}}}\right|_{n=n^{*}}$

(i,k > 0)

थर्मोडायनामिक बलों और गतिज गुणांक की परिभाषा में आंतरिक मनमानापन है क्योंकि वे अलग-अलग मापने योग्य नहीं हैं और केवल उनके संयोजन हैं ${\textstyle \sum _{j}L_{ij}X_{j}}$ मापा जा सकता है। उदाहरण के लिए, ऑनसेगर के मूल कार्य में थर्मोडायनामिक बलों में अतिरिक्त गुणक टी सम्मिलित है, जबकि सैद्धांतिक भौतिकी के पाठ्यक्रम में इस गुणक को छोड़ दिया जाता है लेकिन थर्मोडायनामिक बलों का चिह्न विपरीत होता है। ये सभी परिवर्तन गुणांकों में संबंधित परिवर्तनों के पूरक हैं और मापने योग्य मात्राओं को प्रभावित नहीं करते हैं।

गैर विकर्ण विसरण अरैखिक होना चाहिए

रैखिक अपरिवर्तनीय ऊष्मप्रवैगिकी (ऑनसेगर) की औपचारिकता के रूप में रैखिक विसरण समीकरणों की प्रणाली उत्पन्न करती है

${\frac {\partial c_{i}}{\partial t}}=\sum _{j}D_{ij}\,\Delta c_{j}.$

यदि विसरण गुणांक का मैट्रिक्स विकर्ण है, तो समीकरणों की यह प्रणाली विभिन्न घटकों के लिए अलग-अलग फ़िक के समीकरणों का एक संग्रह है। मान लें कि विसरण गैर-विकर्ण है, उदाहरण के लिए, $D_{12}\neq 0$, और राज्य के साथ विचार करें $c_{2}=\cdots =c_{n}=0$. इस अवस्था में, $\partial c_{2}/\partial t=D_{12}\,\Delta c_{1}$. यदि $D_{12}\,\Delta c_{1}(x)<0$ कुछ बिंदुओं पर, फिर $c_{2}(x)$ कम समय में इन बिंदुओं पर ऋणात्मक हो जाता है। इसलिए, रैखिक गैर-विकर्ण विसरण सांद्रता की धनात्मकता को संरक्षित नहीं करता है। बहुघटक विसरण के गैर-विकर्ण समीकरण गैर-रैखिक होने चाहिए।

आइंस्टीन की गतिशीलता और टेरेल सूत्र

आइंस्टीन संबंध (गतिज सिद्धांत) विसरण गुणांक और गतिशीलता को जोड़ता है (कण के टर्मिनल बहाव वेग का एक लागू बल का अनुपात)

$D={\frac {\mu \,k_{\text{B}}T}{q}},$

जहां D विसरण स्थिरांक है, μ गतिशीलता है, k_B बोल्ट्जमैन का स्थिरांक है, T परम तापमान है, और q प्राथमिक आवेश है, अर्थात एक इलेक्ट्रॉन का आवेश है।

नीचे, रासायनिक क्षमता μ और गतिशीलता को एक ही सूत्र में संयोजित करने के लिए, हम गतिशीलता के लिए अंकन ${\mathfrak {m}}$ का उपयोग करते हैं।

गतिशीलता-आधारित दृष्टिकोण को आगे टी. टेओरेल द्वारा लागू किया गया था। 1935 में, उन्होंने झिल्ली के माध्यम से आयनों के विसरण का अध्ययन किया। उन्होंने सूत्र में अपने दृष्टिकोण का सार तैयार किया:

प्रवाह गतिशीलता × एकाग्रता × बल प्रति ग्राम-आयन के बराबर है।

यह तथाकथित टेओरेल सूत्र है। शब्द "ग्राम-आयन" ("ग्राम-कण") का उपयोग उस पदार्थ की मात्रा के लिए किया जाता है जिसमें एवोगैड्रो की संख्या में आयन (कण) होते हैं। सामान्य आधुनिक शब्द तिल (इकाई) है।

इज़ोटेर्मल परिस्थितियों में बल के दो भाग होते हैं:

1. एकाग्रता प्रवणता के कारण विसरण बल: $-RT{\frac {1}{n}}\,\nabla n=-RT\,\nabla (\ln(n/n^{\text{eq}}))$.
2. विद्युत संभावित प्रवणता के कारण इलेक्ट्रोस्टैटिक बल: $q\,\nabla \varphi$.

यहाँ R गैस स्थिरांक है, T पूर्ण तापमान है, n सघनता है, संतुलन सान्द्रता को एक सुपरस्क्रिप्ट "eq" द्वारा चिह्नित किया जाता है, q आवेश है और φ विद्युत क्षमता है।

फ्लक्स के लिए टेरेल अभिव्यक्ति में टोरेल फॉर्मूला और ऑनसेगर कानूनों के बीच सरल लेकिन महत्वपूर्ण अंतर एकाग्रता कारक है। आइंस्टीन-टेरेल दृष्टिकोण में, यदि परिमित बल के लिए एकाग्रता शून्य हो जाती है तो फ्लक्स भी शून्य हो जाता है, जबकि ऑनसेजर समीकरण इस सरल और भौतिक रूप से स्पष्ट नियम का उल्लंघन करते हैं।

इज़ोटेर्मल स्थितियों के तहत गैर-परिपूर्ण प्रणालियों के लिए टेरेल सूत्र का सामान्य सूत्रीकरण है: $\mathbf {J} ={\mathfrak {m}}\exp \left({\frac {\mu -\mu _{0}}{RT}}\right)(-\nabla \mu +({\text{external force per mole}})),$ जहां μ रासायनिक क्षमता है, μ₀ रासायनिक क्षमता का मानक मूल्य है। भाव $a=\exp \left({\frac {\mu -\mu _{0}}{RT}}\right)$ तथाकथित गतिविधि (रसायन विज्ञान) है। यह एक गैर-आदर्श मिश्रण में प्रजातियों की प्रभावी एकाग्रता को मापता है। इस संकेतन में फ्लक्स के लिए टेरेल सूत्र का बहुत ही सरल रूप है: $\mathbf {J} ={\mathfrak {m}}a(-\nabla \mu +({\text{external force per mole}})).$

गतिविधि के मानक व्युत्पत्ति में एक सामान्यीकरण कारक और छोटी सांद्रता सम्मिलित है $a=n/n^{\ominus }+o(n/n^{\ominus })$, कहां $n^{\ominus }$ मानक एकाग्रता है। इसलिए, प्रवाह के लिए यह सूत्र सामान्यीकृत आयाम रहित मात्रा के प्रवाह का वर्णन करता है $n/n^{\ominus }$:

${\frac {\partial (n/n^{\ominus })}{\partial t}}=\nabla \cdot [{\mathfrak {m}}a(\nabla \mu -({\text{external force per mole}}))].$

उतार-चढ़ाव-अपव्यय प्रमेय

लैंग्विन समीकरण पर आधारित उतार-चढ़ाव-अपव्यय प्रमेय आइंस्टीन मॉडल को बैलिस्टिक टाइम स्केल तक विस्तारित करने के लिए विकसित किया गया है। लैंगविन के अनुसार, समीकरण न्यूटन के गति के दूसरे नियम पर आधारित है

$m{\frac {d^{2}x}{dt^{2}}}=-{\frac {1}{\mu }}{\frac {dx}{dt}}+F(t)$

जहाँ

• x स्थिति है।
• μ द्रव या गैस में कण की गतिशीलता है, जिसकी गणना आइंस्टीन संबंध (गतिज सिद्धांत) का उपयोग करके की जा सकती है।
• m कण का द्रव्यमान है।
• F कण पर लगाया गया यादृच्छिक बल है।
• t समय है।

इस समीकरण को हल करते हुए, किसी ने लंबे समय की सीमा में समय-निर्भर विसरण स्थिरांक प्राप्त किया और जब कण आसपास के तरल पदार्थ की तुलना में काफी सघन होता है,

$D(t)=\mu \,k_{\rm {B}}T(1-e^{-t/(m\mu )})$

जहाँ

• k_B बोल्ट्जमैन स्थिरांक है;
• T पूर्ण तापमान है।
• μ द्रव या गैस में कण की गतिशीलता है, जिसकी गणना आइंस्टीन संबंध (गतिज सिद्धांत) का उपयोग करके की जा सकती है।
• m कण का द्रव्यमान है।
• t समय है।

बहुघटक विसरण के लिए टेरेल सूत्र

विसरण बल की ऑनसेजर परिभाषा के संयोजन के साथ टेरेल सूत्र देता है

$\mathbf {J} _{i}={\mathfrak {m_{i}}}a_{i}\sum _{j}L_{ij}X_{j},$

जहाँ ${\mathfrak {m_{i}}}$ iवें घटक की गतिशीलता है, $a_{i}$ इसकी गतिविधि है, $L_{ij}$ गुणांक का मैट्रिक्स है, $X_{j}$ थर्मोडायनामिक विसरण बल है, $X_{j}=-\nabla {\frac {\mu _{j}}{T}}$. इज़ोटेर्मल परफेक्ट सिस्टम के लिए, $X_{j}=-R{\frac {\nabla n_{j}}{n_{j}}}$. इसलिए, आइंस्टीन-टेओरेल दृष्टिकोण बहुघटक विसरण के लिए फ़िक के नियम के निम्नलिखित बहुघटक सामान्यीकरण देता है:

${\frac {\partial n_{i}}{\partial t}}=\sum _{j}\nabla \cdot \left(D_{ij}{\frac {n_{i}}{n_{j}}}\nabla n_{j}\right),$

जहाँ $D_{ij}$ गुणांकों का आव्यूह है। गैसों में विसरण के लिए चैपमैन-एनस्कॉग फ़ार्मुलों में बिल्कुल समान शब्द सम्मिलित हैं। इससे पहले, ऐसे शब्दों को मैक्सवेल-स्टीफन विसरण समीकरण में पेश किया गया था।

मोनोलेयर में विसरण: अस्थायी संतुलन की स्थिति में दोलन और निकटतम मुक्त स्थानों पर कूदता है।

एक उत्प्रेरक का भूतल विसरण विषम कटैलिसीस में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है। आदर्श मोनोलेयर में विसरण का मॉडल निकटतम मुक्त स्थानों पर अभिकर्मकों की छलांग पर आधारित है। इस मॉडल का उपयोग कम गैस के दबाव में Pt ऑक्सीकरण पर CO के लिए किया गया था।

प्रणाली में कई अभिकर्मक सम्मिलित हैं $A_{1},A_{2},\ldots ,A_{m}$ सतह पर। उनकी सतह सांद्रता हैं $c_{1},c_{2},\ldots ,c_{m}.$ सतह सोखना स्थानों की एक जाली है। प्रत्येक अभिकर्मक अणु सतह पर एक जगह भरता है। कुछ स्थान निःशुल्क हैं। मुक्त स्थानों की एकाग्रता है $z=c_{0}$. सभी का योग $c_{i}$ (मुक्त स्थानों सहित) स्थिर है, सोखना स्थानों का घनत्व ख।

जंप मॉडल $A_{i}$ (i = 1, ..., n): विसरण प्रवाह देता है:

$\mathbf {J} _{i}=-D_{i}[z\,\nabla c_{i}-c_{i}\nabla z]\,.$

संबंधित विसरण समीकरण है::${\frac {\partial c_{i}}{\partial t}}=-\operatorname {div} \mathbf {J} _{i}=D_{i}[z\,\Delta c_{i}-c_{i}\,\Delta z]\,.$ संरक्षण कानून के कारण, $z=b-\sum _{i=1}^{n}c_{i}\,,$ और हमें m विसरण समीकरणों की प्रणाली है। एक घटक के लिए हमें फ़िक का नियम और रेखीय समीकरण मिलते हैं क्योंकि $(b-c)\,\nabla c-c\,\nabla (b-c)=b\,\nabla c$. दो या दो से अधिक घटकों के लिए समीकरण अरैखिक होते हैं।

यदि सभी कण अपने निकटतम पड़ोसियों के साथ अपनी स्थिति का आदान-प्रदान कर सकते हैं तो एक साधारण सामान्यीकरण देता है

$\mathbf {J} _{i}=-\sum _{j}D_{ij}[c_{j}\,\nabla c_{i}-c_{i}\,\nabla c_{j}]$

${\frac {\partial c_{i}}{\partial t}}=\sum _{j}D_{ij}[c_{j}\,\Delta c_{i}-c_{i}\,\Delta c_{j}]$

जहाँ $D_{ij}=D_{ji}\geq 0$ गुणांक का एक सममित मैट्रिक्स है जो कूद की तीव्रता को दर्शाता है। मुक्त स्थानों (रिक्तियों) को सघनता वाले विशेष कण मानना ​​चाहिए $c_{0}$.

इन जंप मॉडल के विभिन्न संस्करण ठोस पदार्थों में सरल विसरण तंत्र के लिए भी उपयुक्त हैं।

छिद्रपूर्ण माध्यम में विसरण

झरझरा मीडिया में विसरण के लिए मूल समीकरण हैं (यदि Φ स्थिर है):

$\mathbf {J} =-\phi D\,\nabla n^{m}$

${\frac {\partial n}{\partial t}}=D\,\Delta n^{m}\,,$

जहां D विसरण गुणांक है, Φ सरंध्रता है, n एकाग्रता है, m > 0 (सामान्यतः m > 1, प्रकरण m = 1 फ़िक के नियम से मेल खाता है)।

फ्लक्स शर्तों और संचय शर्तों दोनों में छिद्रपूर्ण माध्यम के सरंध्रता (Φ) के लिए उचित रूप से ध्यान रखा जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, जैसे ही सरंध्रता शून्य हो जाती है, छिद्रपूर्ण माध्यम में दाढ़ का प्रवाह किसी दिए गए सघनता प्रवणता के लिए शून्य हो जाता है। फ्लक्स के विचलन को लागू करने पर, सरंध्रता की शर्तें रद्द हो जाती हैं और ऊपर दूसरा समीकरण बनता है।

छिद्रपूर्ण माध्यम में गैसों के विसरण के लिए यह समीकरण डार्सी के नियम का औपचारिक रूप है: छिद्रपूर्ण माध्यम में गैस का बड़ा प्रवाह है

$q=-{\frac {k}{\mu }}\,\nabla p$

जहाँ k माध्यम का पारगमन है, μ श्यानता और p दबाव है।

विशेषण दाढ़ प्रवाह के रूप में दिया

J = nq

और के लिए $p\sim n^{\gamma }$ डार्सी का नियम छिद्रपूर्ण माध्यम में विसरण का समीकरण m = γ + 1 के साथ देता है।

छिद्रपूर्ण माध्यम में, औसत रेखीय वेग (ν), वॉल्यूमेट्रिक फ्लक्स से संबंधित है:

$\upsilon =q/\phi$

एडवेक्टिव मोलर फ्लक्स को डिफ्यूसिव फ्लक्स के साथ मिलाने से एडवेक्शन-फैलाव समीकरण मिलता है

${\frac {\partial n}{\partial t}}=D\,\Delta n^{m}\ -\nu \cdot \nabla n^{m},$

भूमिगत जल घुसपैठ के लिए, बौसिन्सक सन्निकटन m = 2 के साथ समान समीकरण देता है।

विकिरण के उच्च स्तर वाले प्लाज्मा के लिए, ज़ेल्डोविच-रेज़र समीकरण गर्मी हस्तांतरण के लिए m > 4 देता है।

भौतिकी में विसरण

गैसों के गतिज सिद्धांत में विसरण गुणांक

See also: गैसों के प्रसार गुणांक और प्रसार प्रवाह का गतिज सिद्धांत

गैस में कणों की यादृच्छिक टक्कर।

विसरण गुणांक $D$ फ़िक के विसरण के नियमों में गुणांक है | फ़िक का पहला नियम $J=-D\,\partial n/\partial x$, जहां J विसरण प्रवाह ( पदार्थ की मात्रा ) प्रति इकाई क्षेत्र प्रति इकाई समय है, n (आदर्श मिश्रण के लिए) एकाग्रता है, x स्थिति [लंबाई] है।

समान व्यास d और द्रव्यमान m (स्व-विसरण) के अणुओं वाली दो गैसों पर विचार करें। इस मामले में, विसरण के प्राथमिक माध्य मुक्त पथ सिद्धांत विसरण गुणांक के लिए देता है

$D={\frac {1}{3}}\ell v_{T}={\frac {2}{3}}{\sqrt {\frac {k_{\rm {B}}^{3}}{\pi ^{3}m}}}{\frac {T^{3/2}}{Pd^{2}}}\,,$

जहां के_B बोल्ट्ज़मैन स्थिरांक है, T तापमान है, P दबाव है, $\ell$ माध्य मुक्त पथ है, और v_T औसत तापीय गति है:

$\ell ={\frac {k_{\rm {B}}T}{{\sqrt {2}}\pi d^{2}P}}\,,\;\;\;v_{T}={\sqrt {\frac {8k_{\rm {B}}T}{\pi m}}}\,.$

हम देख सकते हैं कि माध्य मुक्त पथ सन्निकटन में विसरण गुणांक T के रूप में T^3/2 के साथ बढ़ता है और P के साथ 1/P के रूप में घटता है। यदि हम P के लिए आदर्श गैस नियम P = RnT का उपयोग कुल सांद्रता n के साथ करते हैं, तो हम देख सकते हैं कि दी गई सांद्रता n के लिए विसरण गुणांक T के रूप में T^1/2 के साथ बढ़ता है और दिए गए तापमान के लिए यह 1/n के रूप में कुल एकाग्रता के साथ घट जाती है।

आणविक द्रव्यमान m_A, m_B और आणविक व्यास d_A, d_B के साथ दो अलग-अलग गैसों A और B के लिए, A में B और B में विसरण गुणांक का औसत मुक्त पथ अनुमान है:

$D_{\rm {AB}}={\frac {2}{3}}{\sqrt {\frac {k_{\rm {B}}^{3}}{\pi ^{3}}}}{\sqrt {{\frac {1}{2m_{\rm {A}}}}+{\frac {1}{2m_{\rm {B}}}}}}{\frac {4T^{3/2}}{P(d_{\rm {A}}+d_{\rm {B}})^{2}}}\,,$

बोल्ट्जमान के समीकरण पर आधारित गैसों में विसरण का सिद्धांत

गैसों के मिश्रण के बोल्ट्जमैन के कैनेटीक्स में, प्रत्येक गैस का अपना वितरण कार्य होता है, $f_{i}(x,c,t)$, जहाँ t समय क्षण है, x स्थिति है और c मिश्रण के iवें घटक के अणु का वेग है। प्रत्येक घटक का अपना औसत वेग होता है ${\textstyle C_{i}(x,t)={\frac {1}{n_{i}}}\int _{c}cf(x,c,t)\,dc}$. यदि वेग $C_{i}(x,t)$ मेल नहीं खाते तो विसरण मौजूद है।

चैपमैन-एनस्कॉग सिद्धांत में | चैपमैन-एनस्कॉग सन्निकटन, सभी वितरण कार्यों को संरक्षित मात्राओं के घनत्व के माध्यम से व्यक्त किया जाता है:* कणों की व्यक्तिगत सांद्रता, ${\textstyle n_{i}(x,t)=\int _{c}f_{i}(x,c,t)\,dc}$ (कण प्रति मात्रा),

• गति का घनत्व ${\textstyle \sum _{i}m_{i}n_{i}C_{i}(x,t)}$ (एम_iiवां कण द्रव्यमान है),
• गतिज ऊर्जा का घनत्व
  $$\sum _{i}\left(n_{i}{\frac {m_{i}C_{i}^{2}(x,t)}{2}}+\int _{c}{\frac {m_{i}(c_{i}-C_{i}(x,t))^{2}}{2}}f_{i}(x,c,t)\,dc\right).$$

गतिज तापमान T और दबाव P को 3D अंतरिक्ष में परिभाषित किया गया है

${\frac {3}{2}}k_{\rm {B}}T={\frac {1}{n}}\int _{c}{\frac {m_{i}(c_{i}-C_{i}(x,t))^{2}}{2}}f_{i}(x,c,t)\,dc;\quad P=k_{\rm {B}}nT,$

कहां ${\textstyle n=\sum _{i}n_{i}}$ कुल घनत्व है।

दो गैसों के लिए, वेगों के बीच का अंतर, $C_{1}-C_{2}$ अभिव्यक्ति द्वारा दिया गया है:: $C_{1}-C_{2}=-{\frac {n^{2}}{n_{1}n_{2}}}D_{12}\left\{\nabla \left({\frac {n_{1}}{n}}\right)+{\frac {n_{1}n_{2}(m_{2}-m_{1})}{Pn(m_{1}n_{1}+m_{2}n_{2})}}\nabla P-{\frac {m_{1}n_{1}m_{2}n_{2}}{P(m_{1}n_{1}+m_{2}n_{2})}}(F_{1}-F_{2})+k_{T}{\frac {1}{T}}\nabla T\right\},$ कहां $F_{i}$ i वें घटक के अणुओं पर लागू बल है और $k_{T}$ थर्मोडिफ्यूजन अनुपात है।

गुणांक D₁₂ धनात्मक है। यह विसरण गुणांक है। C₁−C₂ के फार्मूले के चार पद गैसों के विसरण में चार मुख्य प्रभावों का वर्णन करते हैं:

1. $\nabla \,\left({\frac {n_{1}}{n}}\right)$ उच्च अनुपात n₁/n वाले क्षेत्रों से इस अनुपात के निम्न मान वाले क्षेत्रों में पहले घटक के प्रवाह का वर्णन करता है (और, समान रूप से उच्च n₂/n से निम्न n₂/n तक दूसरे घटक का प्रवाह क्योंकि n₂/n = 1 – n₁/n);
2. ${\frac {n_{1}n_{2}(m_{2}-m_{1})}{n(m_{1}n_{1}+m_{2}n_{2})}}\nabla P$ उच्च दबाव वाले क्षेत्रों में भारी अणुओं के प्रवाह और कम दबाव वाले क्षेत्रों में हल्के अणुओं का वर्णन करता है, यह बैरोडिफ्यूजन है;
3. ${\frac {m_{1}n_{1}m_{2}n_{2}}{P(m_{1}n_{1}+m_{2}n_{2})}}(F_{1}-F_{2})$ विभिन्न प्रकार के अणुओं पर लागू बलों के अंतर के कारण होने वाले विसरण का वर्णन करता है। उदाहरण के लिए, पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में, भारी अणुओं को नीचे जाना चाहिए, या विद्युत क्षेत्र में आवेशित अणुओं को तब तक गति करनी चाहिए, जब तक कि यह प्रभाव अन्य शब्दों के योग से संतुलित न हो जाए। इस प्रभाव को दबाव प्रवणता के कारण होने वाले बैरोडिफ्यूजन के साथ भ्रमित नहीं होना चाहिए।
4. $k_{T}{\frac {1}{T}}\nabla T$ थर्मोडिफ्यूजन का वर्णन करता है, तापमान प्रवणता के कारण विसरण प्रवाह।

इन सभी प्रभावों को विसरण कहा जाता है क्योंकि वे मिश्रण में विभिन्न घटकों के वेगों के बीच अंतर का वर्णन करते हैं। इसलिए, इन प्रभावों को बल्क ट्रांसपोर्ट के रूप में वर्णित नहीं किया जा सकता है और संवहन या संवहन से भिन्न होता है।

पहले सन्निकटन में,*

$$D_{12}={\frac {3}{2n(d_{1}+d_{2})^{2}}}\left[{\frac {kT(m_{1}+m_{2})}{2\pi m_{1}m_{2}}}\right]^{1/2}$$

कठोर क्षेत्रों के लिए;

• $$D_{12}={\frac {3}{8nA_{1}({\nu })\Gamma (3-{\frac {2}{\nu -1}})}}\left[{\frac {kT(m_{1}+m_{2})}{2\pi m_{1}m_{2}}}\right]^{1/2}\left({\frac {2kT}{\kappa _{12}}}\right)^{\frac {2}{\nu -1}}$$
  प्रतिकर्षण बल के लिए $\kappa _{12}r^{-\nu }.$

जो नंबर $A_{1}({\nu })$ शास्त्रीय चैपमैन और काउलिंग पुस्तक के चतुष्कोण (सूत्र (3.7), (3.9), अध्याय 10) द्वारा परिभाषित किया गया है

हम देख सकते हैं कि कठोर क्षेत्रों के लिए T पर निर्भरता सरल माध्य मुक्त पथ सिद्धांत के समान है, लेकिन शक्ति प्रतिकर्षण कानूनों के लिए प्रतिपादक अलग है। किसी दिए गए तापमान के लिए कुल सांद्रता n पर निर्भरता हमेशा समान वर्ण, 1/n होती है।

गैस गतिकी के अनुप्रयोगों में, विसरण प्रवाह और बल्क प्रवाह को परिवहन समीकरणों की एक प्रणाली में सम्मिलित किया जाना चाहिए। बल्क फ्लो मास ट्रांसफर का वर्णन करता है। इसका वेग V द्रव्यमान औसत वेग है। इसे गति घनत्व और द्रव्यमान सांद्रता के माध्यम से परिभाषित किया गया है:

$V={\frac {\sum _{i}\rho _{i}C_{i}}{\rho }}\,.$

कहां $\rho _{i}=m_{i}n_{i}$ Ith प्रजाति का द्रव्यमान संकेंद्रण है, ${\textstyle \rho =\sum _{i}\rho _{i}}$ द्रव्यमान घनत्व है।

परिभाषा के अनुसार, वें घटक का विसरण वेग है $v_{i}=C_{i}-V$, ${\textstyle \sum _{i}\rho _{i}v_{i}=0}$. Iवें घटक के द्रव्यमान स्थानांतरण को निरंतरता समीकरण द्वारा वर्णित किया गया है

${\frac {\partial \rho _{i}}{\partial t}}+\nabla (\rho _{i}V)+\nabla (\rho _{i}v_{i})=W_{i}\,,$

कहां $W_{i}$ रासायनिक प्रतिक्रियाओं में शुद्ध द्रव्यमान उत्पादन दर है, ${\textstyle \sum _{i}W_{i}=0}$.

इन समीकरणों में, शब्द $\nabla (\rho _{i}V)$ Iवें घटक और पद के संवहन का वर्णन करता है $\nabla (\rho _{i}v_{i})$ इस घटक के विसरण का प्रतिनिधित्व करता है।

1948 में, वेन्डेल एच. फेरी ने गतिज सिद्धांत में पाई जाने वाली विसरण दरों के रूप को गैसों में विसरण के लिए नई परिघटना संबंधी दृष्टिकोण के लिए एक रूपरेखा के रूप में उपयोग करने का प्रस्ताव दिया। इस दृष्टिकोण को आगे F.A. विलियम्स और S.H. द्वारा विकसित किया गया था। लैम। वे बहुघटक गैसों (एन घटकों) में विसरण वेगों के लिए उपयोग करते थे

$v_{i}=-\left(\sum _{j=1}^{N}D_{ij}\mathbf {d} _{j}+D_{i}^{(T)}\,\nabla (\ln T)\right)\,;$

$\mathbf {d} _{j}=\nabla X_{j}+(X_{j}-Y_{j})\,\nabla (\ln P)+\mathbf {g} _{j}\,;$

$\mathbf {g} _{j}={\frac {\rho }{P}}\left(Y_{j}\sum _{k=1}^{N}Y_{k}(f_{k}-f_{j})\right)\,.$

यहां, $D_{ij}$ विसरण गुणांक मैट्रिक्स है, $D_{i}^{(T)}$ थर्मल विसरण गुणांक है, $f_{i}$ ith प्रजाति पर कार्य करने वाला प्रति इकाई द्रव्यमान शरीर बल है, $X_{i}=P_{i}/P$ ith प्रजाति का आंशिक दबाव अंश है (और $P_{i}$ आंशिक दबाव है), $Y_{i}=\rho _{i}/\rho$ ith प्रजाति का द्रव्यमान अंश है, और ${\textstyle \sum _{i}X_{i}=\sum _{i}Y_{i}=1.}$

जैसा कि वाहक उत्पन्न होते हैं (हरा: इलेक्ट्रॉन और बैंगनी: छेद) एक आंतरिक अर्धचालक के केंद्र में चमकने वाले प्रकाश के कारण, वे दो सिरों की ओर फैलते हैं। होल्स की तुलना में इलेक्ट्रॉनों का विसरण स्थिरांक अधिक होता है जिसके कारण केंद्र में होल्स की तुलना में इलेक्ट्रॉनों की संख्या कम होती है।

ठोस में इलेक्ट्रॉनों का विसरण

Main article: विसरण धारा

जब ठोस में इलेक्ट्रॉनों का घनत्व संतुलन में नहीं होता है, तो इलेक्ट्रॉनों का विसरण होता है। उदाहरण के लिए, जब सेमीकंडक्टर के एक टुकड़े के दो सिरों पर बायस लगाया जाता है, या एक सिरे पर प्रकाश चमकता है (सही चित्र देखें), तो इलेक्ट्रॉन उच्च-घनत्व वाले क्षेत्रों (केंद्र) से कम-घनत्व वाले क्षेत्रों (दो सिरों) तक फैलते हैं, जिससे बनता है इलेक्ट्रॉन घनत्व का एक प्रवणता। यह प्रक्रिया करंट उत्पन्न करती है, जिसे विसरण धारा कहा जाता है।

डिफ्यूज़न करंट (विसरण धारा) को फ़िक के विसरण के नियमों द्वारा भी वर्णित किया जा सकता है। फ़िक का पहला नियम

$J=-D\,\partial n/\partial x\,,$

जहाँ J विसरण वर्तमान घनत्व (पदार्थ की मात्रा) प्रति इकाई क्षेत्र प्रति इकाई समय है, n (आदर्श मिश्रण के लिए) इलेक्ट्रॉन घनत्व है, x स्थिति [लंबाई] है।

भूभौतिकी में विसरण

विश्लेषणात्मक और संख्यात्मक मॉडल जो विभिन्न प्रारंभिक और सीमा स्थितियों के लिए विसरण समीकरण को हल करते हैं, पृथ्वी की सतह पर विभिन्न प्रकार के परिवर्तनों का अध्ययन करने के लिए लोकप्रिय रहे हैं। हिलस्लोप रिट्रीट, ब्लफ इरोजन, फॉल्ट स्कार्प डिग्रेडेशन, वेव-कट टैरेस/शोरलाइन रिट्रीट, जलोढ़ चैनल चीरा, तटीय शेल्फ रिट्रीट और डेल्टा प्रोग्रेशन के अपरदन अध्ययन में विसरण का बड़े पैमाने पर उपयोग किया गया है। हालांकि इनमें से कई मामलों में पृथ्वी की सतह वस्तुतः विसरित नहीं है, विसरण की प्रक्रिया प्रभावी रूप से उन समग्र परिवर्तनों की नकल करती है जो दशकों से सहस्राब्दी तक होते हैं। डिफ्यूजन मॉडल का उपयोग व्युत्क्रम सीमा मूल्य समस्याओं को हल करने के लिए भी किया जा सकता है जिसमें पेलियोएन्वायरमेंटल पुनर्निर्माण से निक्षेपण पर्यावरण के बारे में कुछ जानकारी ज्ञात होती है और विसरण समीकरण का उपयोग तलछट प्रवाह और लैंडफॉर्म परिवर्तनों की समय श्रृंखला का पता लगाने के लिए किया जाता है।

डायलिसिस

हीमोडायलिसिस के दौरान अर्ध-पारगम्य झिल्ली का योजनाबद्ध, जहां रक्त लाल होता है, डायलिसिस द्रव नीला होता है, और झिल्ली पीली होती है।

डायलिसिस एक अर्ध-पारगम्य झिल्ली में विलेय के विसरण और द्रव के अल्ट्राफिल्ट्रेशन के सिद्धांतों पर काम करता है। विसरण पानी में पदार्थों की एक संपत्ति है; पानी में पदार्थ उच्च सांद्रता वाले क्षेत्र से कम सांद्रता वाले क्षेत्र में जाने की प्रवृत्ति रखते हैं। अर्ध-पारगम्य झिल्ली के एक तरफ से रक्त बहता है, और एक डायलीसेट, या विशेष डायलिसिस द्रव विपरीत दिशा से बहता है। एक अर्ध-पारगम्य झिल्ली सामग्री की एक पतली परत होती है जिसमें विभिन्न आकारों या छिद्रों के छिद्र होते हैं। छोटे विलेय और द्रव झिल्ली से होकर गुजरते हैं, लेकिन झिल्ली बड़े पदार्थों (उदाहरण के लिए, लाल रक्त कोशिकाओं और बड़े प्रोटीन) के मार्ग को अवरुद्ध कर देती है। यह फ़िल्टरिंग प्रक्रिया को दोहराता है जो गुर्दे में होती है जब रक्त गुर्दे में प्रवेश करता है और बड़े पदार्थ ग्लोमेरुलस में छोटे से अलग हो जाते हैं।

रैंडम वॉक (रैंडम मोशन)

परमाणुओं, आयनों या अणुओं की स्पष्ट यादृच्छिक गति की व्याख्या की गई। पदार्थ अन्य पदार्थों के साथ टकराने के कारण बेतरतीब ढंग से गति करते दिखाई देते हैं। iBook सेल मेम्ब्रेन ट्रांसपोर्ट से, IS3D, LLC, 2014 द्वारा प्रदान किया गया मुफ्त लाइसेंस।

एक आम ग़लतफ़हमी यह है कि व्यक्तिगत परमाणु, आयन या अणु बेतरतीब ढंग से गति करते हैं, जो वे नहीं करते हैं। दाईं ओर के एनीमेशन में, बाएं पैनल में आयन अन्य आयनों की अनुपस्थिति में यादृच्छिक गति करता हुआ प्रतीत होता है। जैसा कि दायां पैनल दिखाता है, हालांकि, यह गति यादृच्छिक नहीं है बल्कि अन्य आयनों के साथ टकराव का परिणाम है। जैसे, अलगाव में देखे जाने पर मिश्रण के भीतर एक एकल परमाणु, आयन या अणु की गति यादृच्छिक दिखाई देती है। किसी पदार्थ के मिश्रण के भीतर बेतरतीब चलने से गति प्रणाली के भीतर गतिज ऊर्जा द्वारा नियंत्रित होती है जो एकाग्रता, दबाव या तापमान में परिवर्तन से प्रभावित हो सकती है। (यह एक शास्त्रीय विवरण है। छोटे पैमानों पर, क्वांटम प्रभाव सामान्य रूप से गैर-नगण्य होंगे। इस प्रकार, एक परमाणु के संचलन का अध्ययन अधिक सूक्ष्म हो जाता है क्योंकि ऐसे छोटे पैमानों पर कणों को नियतात्मक के बजाय संभाव्यता आयाम द्वारा वर्णित किया जाता है। स्थिति और वेग के उपाय।)

गैसों में संवहन से विसरण का पृथक्करण

जबकि बहु-आणविक मेसोस्कोपिक कणों (जैसे ब्राउन द्वारा अध्ययन किए गए पराग कण) की ब्राउनियन गति एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत देखी जा सकती है, आणविक विसरण को केवल सावधानीपूर्वक नियंत्रित प्रायोगिक स्थितियों में जांचा जा सकता है। ग्राहम के प्रयोगों के बाद से, यह सर्वविदित है कि संवहन से बचना आवश्यक है और यह एक गैर-तुच्छ कार्य हो सकता है।

सामान्य परिस्थितियों में, नैनोमीटर-से-मिलीमीटर रेंज में आणविक विसरण केवल लंबाई पर हावी होता है। बड़े लंबाई के पैमाने पर, तरल पदार्थ और गैसों का परिवहन सामान्य रूप से एक अन्य परिवहन घटना, संवहन के कारण होता है। इन मामलों में विसरण को अलग करने के लिए विशेष प्रयासों की आवश्यकता होती है।

इसलिए, विसरण के कुछ अक्सर उद्धृत उदाहरण गलत हैं: यदि एक स्थान पर कोलोन का छिड़काव किया जाता है, तो जल्द ही पूरे कमरे में इसकी गंध आ सकती है, लेकिन एक साधारण गणना से पता चलता है कि यह विसरण के कारण नहीं हो सकता है। तापमान [असमानता] के कारण कमरे में संवहन गति बनी रहती है। यदि स्याही को पानी में गिराया जाता है, तो सामान्यतः स्थानिक वितरण के एक विषम विकास को देखा जाता है, जो स्पष्ट रूप से संवहन को इंगित करता है (विशेष रूप से, इस गिरावट के कारण)।

इसके विपरीत, ठोस मीडिया के माध्यम से गर्मी चालन एक दैनिक घटना है (उदाहरण के लिए, धातु का चम्मच आंशिक रूप से गर्म तरल में डूबा हुआ)। यह बताता है कि द्रव्यमान के विसरण से पहले ऊष्मा के विसरण को गणितीय रूप से क्यों समझाया गया था

अन्य प्रकार के विसरण

• अनिसोट्रोपिक विसरण , जिसे पेरोना-मलिक समीकरण के रूप में भी जाना जाता है, उच्च प्रवणता को बढ़ाता है
• परमाणु विसरण, ठोस पदार्थों में
• बोह्म विसरण, चुंबकीय क्षेत्रों में प्लाज्मा का विसरण
• एड़ी विसरण, अशांत प्रवाह के मोटे दाने वाले विवरण में
• छोटे छिद्रों से गैस का बहना
• इलेक्ट्रानिक्स विसरण, जिसके परिणामस्वरूप एक करंट (बिजली) होता है जिसे बहाव करंट कहा जाता है
• सुगम विसरण, कुछ जीवों में मौजूद
• गैसीय विसरण, आइसोटोप जुदाई के लिए प्रयोग किया जाता है
• ऊष्मा समीकरण, तापीय ऊर्जा का विसरण
• इटो विसरण, ब्राउनियन गति का गणितीकरण, निरंतर स्टोकेस्टिक प्रक्रिया।
• लगातार दीवार के टकराने के साथ लंबे छिद्रों में गैस का विसरण
• लेवी उड़ान
• आणविक विसरण, अधिक घने से कम घने क्षेत्रों में अणुओं का विसरण
• संवेग विसरण पूर्व। हाइड्रोडाइनमिक वेग क्षेत्र का विसरण
• फोटॉन विसरण
• प्लाज्मा विसरण
• यादृच्छिक चाल, विसरण के लिए मॉडल
• उलटा विसरण, कंसंट्रेशन प्रवणता के खिलाफ, फेज सेपरेशन में
• घूर्णी विसरण, अणुओं का यादृच्छिक पुनर्संरचना
• सतही विसरण, किसी सतह पर अतिरिक्त कणों का विसरण
• टैक्सी एक प्रोत्साहन के जवाब में एक जानवर की दिशात्मक गति गतिविधि है
• किनेसिस (जीव विज्ञान) एक उत्तेजना के जवाब में एक जानवर की गैर-दिशात्मक आंदोलन गतिविधि है
• ट्रांस-सांस्कृतिक विसरण , भौगोलिक क्षेत्र में सांस्कृतिक लक्षणों का विसरण
• अशांत तरल पदार्थ के भीतर अशांत विसरण, द्रव्यमान, ऊष्मा या संवेग का परिवहन

यह भी देखें

• विषम प्रसार
• प्रसार-सीमित एकत्रीकरण
• डार्कन के समीकरण
• समदाब रेखीय प्रतिविसरण
• सोर्प्शन
• परासरण
• परकोलेशन सिद्धांत – Mathematical theory on behavior of connected clusters in a random graph
• सामाजिक नेटवर्क

संदर्भ