Диффузия крупных частиц, взвешенных в газе или жидкости (например, частиц дыма или суспензии), осуществляется благодаря их броуновскому движению. Наиболее быстро молекулярная диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах.
БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. Неупорядоченность движения приводит к тому, что каждая частица постепенно удаляется от места, где она находилась, причём её смещение по прямой гораздо меньше пути, пройденного по ломаной линии. Поэтому диффузионное проникновение значительно медленнее свободного движения (скорость диффузионного распространения запахов, например, много меньше скорости молекул).
ДИФФУЗИЯ
Для большинства научных и практических задач существенно не диффузионное движение отдельных частиц, а происходящее от него выравнивание концентрации вещества в первоначально неоднородной среде. Из мест с высокой концентрацией уходит больше частиц, чем из мест с низкой концентрацией. Через единичную площадку в неоднородной среде проходит за единицу времени безвозвратный поток вещества в сторону меньшей концентрации — диффузионный поток j. Он равен разности между числами частиц, пересекающих площадку в том и другом направлениях, и потому пропорционален градиенту концентрации ΔС (уменьшению концентрации С на единицу длины). Эта зависимость выражается законом Фика: j = -DΔC. Единицами потока j в Международной системе единиц являются 1/ м2·с или кг/м2·с, градиента концентрации — 1/м4 или кг/м4, откуда единицей коэффициента диффузии является м2/с. Из уравнения Фика видно, что поток направлен в сторону уменьшения концентрации. При этом коэффициент диффузии D численно равен диффузионному потоку через единицу площади в единицу времени.
Как следует из кинетической теории газов, коэффициент диффузии возрастает с увеличением температуры и уменьшается с ростом давления. Коэффициент диффузии несколько зависит и от пропорций смеси; эта зависимость слаба, если концентрация рассматриваемого компонента мала; в технических расчетах этой зависимостью большей частью пренебрегают. В случае определенной бинарной смеси коэффициент диффузии будет одинаковым как для первого, так и для второго взаимно диффундирующих компонентов.
Существует такое понятие как обратная диффузия. Например, при глубокой осушке воздуха (или газа) до очень низких значений влагосодержания в осушаемой среде, до -80 оС по точке росы, на выходе из осушающего устройства в воздушную среду возможна диффузия паров воды в выходной канал прибора. Также возможная диффузия в измерительный канал устройства может привести к неправильным результатам определения влажности измеряемой газовой среды. Это может произойти вследствие двух причин: очень большая разница в содержании паров воды на выходе из прибора и недостаточный поток осушаемого воздуха, который не препятствует диффузии паров воды из окружающей среды в канал прибора.
ДИФФУЗИЯ
Избежать таких проблем можно в случае, если поток осушаемого (или измеряемого) газа достаточный для того, чтобы препятствовать диффузии молекул воды из окружающей среды. Величину скорости потока можно рассчитать, используя уравнение Фика для определения диффузии.
Используем уравнение диффузии (закон Фика) в виде:
где ΔM – масса газа, переносимая путём диффузии за Δt через площадку ΔS,
константа D – коэффициент диффузии, размерность которого (м2/с).
Количество вещества, которое переносится через всё поперечное сечение ΔS за единицу времени, называется потоком вещества:
Для проведения расчетов необходимо знать коэффициент диффузии молекул воды при определенной температуре, концентрации молекул воды в осушаемом (или измеряемом) канале и в окружающей среде. Например, при температуре 15оС коэффициент диффузии водяного пара в воздухе равен 0,26 см2/с. Предположим, что газ осушен до -50оС по точке росы, а влажность окружающего воздуха составляет 50% относительной влажности. Учитывая эти условия и используя в уравнении соответствующие величины в одинаковой системе единиц, получаем, что за одну секунду через площадь 1 см2 проникают на расстояние 1 см пары воды массой 0,000003 г. Таким образом, обратная диффузия молекул воды в измерительный канал прибора, где установлен чувствительный к содержанию влаги элемент, будет неизбежно влиять на корректность его показаний. Поэтому необходимо, чтобы поток осушенного газа из выходного отверстия был достаточным для того, чтобы препятствовать диффузии, т.е. расход осушаемого газа должен быть не менее 20 см3/c.
