菲克定律

---

簡介

氧氣的擴散係數可以透過菲克定律來解釋。菲克定律描述了擴散過程，並於1855年由科學家阿道夫·菲克提出。該定律可用於求解擴散係數，用“D”表示。菲克第一定律可以用來推匯出菲克第二定律，而菲克第二定律與擴散方程相同。

菲克定律主要有兩條，分別是菲克第一定律，它將擴散通量與濃度梯度聯絡起來。它假設通量從高濃度區域流向低濃度區域，其大小與濃度梯度成正比。菲克第二定律預測了擴散如何導致濃度隨時間變化。此外，菲克定律還有各種用途或應用。

什麼是菲克擴散定律？

菲克擴散定律是一種描述擴散過程的擴散定律，該定律由科學家阿道夫·菲克於1855年提出。它可以用來求解或找到擴散係數，用符號D表示。

菲克定律是菲克第一擴散定律和菲克第二擴散定律的結合。第一定律可以用來推匯出或找到第二定律，而第二定律與擴散方程相同或相似。遵循菲克定律的擴散過程被稱為正常擴散或菲克擴散；否則，被稱為反常擴散或非菲克擴散。菲克定律在各個領域都有一定的用途或應用。

克里斯托弗·羅利，氧分子在水中和戊烷中擴散的時間的均方位移函式，CC BY-SA 4.0

菲克第一定律

菲克第一定律將擴散通量與濃度梯度聯絡起來。它假設通量從高濃度區域流向低濃度區域，其大小與濃度梯度（也稱為空間導數）成正比，或者可以描述為溶質將從高濃度區域跨濃度梯度移動到低濃度區域的概念。在一維或空間維度上，該定律可以用多種形式書寫或表達，最常見的是基於摩爾的形式：

$$\mathrm{J=-D \frac{\text{d}φ}{\text{d}x}}$$

這裡，

J表示擴散通量；它測量在單位時間內透過單位面積的物質量。

D表示擴散係數或擴散率

𝝓用於表示濃度，x是位置，其維度是長度。

菲克第二擴散定律

菲克第二擴散定律預測了擴散如何導致濃度隨時間變化。它是一個偏微分方程，在一維中，寫成：

$$\mathrm{\frac{\partial φ}{\partial t}=D\frac{\partial ^2 φ}{\partial x^2 }}$$

這裡，

φ表示濃度，其維度為[(物質量 長度^-3)]，

t表示時間

D是擴散係數，其維度為[長度² 時間^-1]

x是位置或長度

菲克第二定律與熱傳導方程具有相同的數學形式，其基本解與熱核相同或相似，只是將熱導率替換為擴散係數。

多組分擴散

在將膜阻力模型用於傳質到涉及同時擴散氣體的多組分混合物的系統以及在這些系統中應用質量、動量和熱傳遞類比時，會出現定義特定氣體的平均擴散係數的問題。還表明，在某些情況下，使用擴散係數的平均值對擴散方程進行積分將無效。考慮了擴散係數的濃度依賴性，獲得了擴散方程的近似解。

菲克定律的應用

以下是菲克定律的一些應用：

• 它具有藥物應用。

• 當兩種可混溶液體接觸併發生宏觀擴散時，菲克定律適用。

• 此外，菲克定律中的擴散方程用於製造積體電路。

• 菲克定律也應用於食品行業。

菲克定律的重要性

我們知道溶解在液體中的氣體在液體中隨機移動，這是一個熱力學過程，可以很好地描述為擴散。我們知道氣體在連續液體中的擴散速率是恆定的，液體中存在屏障會顯著影響氣體的擴散速率。氣體穿過膜的擴散速率是呼吸生理學的一個重要方面，因為氧氣和二氧化碳必須在氣體交換過程中穿過肺泡膜。該定律描述了給定膜和氣體的某些特性，溶解的氣體穿過膜擴散的速率。

菲克擴散定律的概念

阿道夫·菲克首次報道或發現了控制質量透過擴散方式傳輸或運動的定律。菲克的工作受到托馬斯·格雷厄姆的啟發或指導，格雷厄姆沒有提出菲克因此而聞名的基本定律。菲克定律類似於同一時期或物件由其他著名科學家發現的關係。菲克的實驗總是涉及測量鹽的濃度和通量，透過水管在兩個水庫之間擴散。可以觀察到，菲克的工作主要關注流體中的擴散，因為當時，固體中的擴散通常不被認為是可能的。

結論

菲克擴散定律描述了擴散過程，並於1855年由科學家阿道夫·菲克提出。菲克定律主要有兩條，分別是菲克第一定律，它將擴散通量與濃度梯度聯絡起來。它假設通量從高濃度區域流向低濃度區域，其大小與濃度梯度成正比。這些定律可用於求解擴散係數，用D表示。菲克第一定律可以用來推匯出菲克第二定律，而菲克第二定律與擴散方程相同。此外，遵循菲克定律的擴散過程被稱為正常擴散或菲克擴散；否則，被稱為反常擴散或非菲克擴散。

常見問題

1. 定義擴散。

擴散定義為任何事物的淨移動，通常是從高濃度區域到低濃度區域。

2. 什麼是擴散係數？

擴散係數或擴散率定義為由於分子擴散引起的摩爾通量與物質濃度梯度之間的比例常數。

3. 可混溶液體是什麼意思？

可混溶液體是指相互溶解形成均相混合物或溶液的液體。

4. 什麼是擴散通量？

擴散通量，用J表示，定義為單位時間內單位面積物質量的度量。

5. 描述熱導率。

材料的熱導率定義為其傳導熱的能力的度量。用k或κ表示。