擴散系數:氣體或固體擴散程度的物理量-中文百科頻道

擴散系數

物質的分子擴散系數表示它的擴散能力，是物質的物理性質之一。根據菲克定律，擴散系數是沿擴散方向，在單位時間每單位濃度梯度的條件下，垂直通過單位面積所擴散某物質的質量或摩爾數，即可以看出，質量擴散系數D和動量擴散系數ν及熱量擴散系數α具有相同的單位（m/s）或（cm/s），擴散系數的大小主要取決于擴散物質和擴散介質的種類及其溫度和壓力。質擴散系數一般要由實驗測定。

其中，液相質擴散，如氣體吸收，溶劑革取以及蒸餾操作等的D比氣相質擴散的D低一個數量級以上，這是由于液體中分子間的作用力強烈地束縛了分子活動的自由程，分子移動的自由度縮小的緣故。

二元混合氣體作為理想氣體用分子動力理論可以得出D～p-1T的關系。不同物質之間的分子擴散系數是通過實驗來測定的。表2-2列舉了在壓強p=1.013×105Pa、溫度T=273K時各種氣體在空氣中的擴散系數D,在其它p、T狀态下的擴散系數可用下式換算

兩種氣體A與B之間的分子擴散系數可用吉利蘭（Gilliland)提出的半經驗公式估算式中,T:熱力學溫度,K;p:總壓強,Pa;μA、μB:氣體A、B的分子量;VA、VB:氣體A、B在正常沸點時液态克摩爾容積,cm3/gmol。幾種常見氣體的液态克摩爾容積可以查表2-3。

按式（2-22），擴散系數D與氣體的濃度無直接關系，它随氣體溫度的升高及總壓強的下降而加大。這可以用氣體的分子運動論來解釋。随着氣體溫度升高，氣體分子的平均運動動能增大，故擴散加快，而随着氣體壓強的升高，分子間的平均自由行程減小，故擴散就減弱。當然，按狀态方程，濃度與壓力、溫度是相互關聯的，所以質擴散系數與濃度是有關的，就象導熱系數與溫度有關一樣。式（2-22)中D的單位是cm2/s，它和動量擴散系數ν=μ/ρ以及熱擴散系數α=λ/cpρ的單位相同，在計算質擴散通量或摩爾擴散通量時,D的單位要換算為m2/s。

分子擴散傳質不隻是在氣相和液相内進行，同樣可在固相内存在，如滲碳煉鋼、材料的提純等等。在固相中的質擴散系數比在液相中還将低大約一個數量級，這可用分子力場對過程的影響更大，使分子移動的自由度更小作為合理的定性解釋。

二元混合液體的擴散系數以及氣-固、液-固之間的擴散系數，比氣之間的擴散系數要複雜得多，隻有用實驗來确定。

分類

簡介

擴散系數可分為自擴散系數、互擴散系數及内擴散系數。

銅(Cu)及金(Au)在Al中的擴散系數

條件:448K(175℃)

Cu:0.092×10^19[m^2/s]

Au:3.9×10^19[m^2/s]

（注:半導體行業中接合點可靠性分析過程中需要考量的數據。）

液體擴散系數

相對粘度，它的物理意義是溶液粘度與純溶劑粘度的比值：ηr=η/η0。相對粘度是整個溶液的行為。

斯托克斯-愛因斯坦（Stocks-Einstein）方程是解釋粘度與擴散系數之間關系的，D*VIS=kT/6*PI*R。假設粒子半徑為R的剛球質點A在稀溶液B中擴散。這裡面存在兩個基本假設：1，球形（SPHERE），2，剛性體，這樣運動基元的擴散運動就可以看成是獨立的、與溶劑分子不相關（uncorrelated）的個體行為。

SE方程的失效往往是由于這兩個基本假設的失效：1，分子非球形，2，擴散基元與溶液分子存在耦合。前者的改變産生的影響有可能相對小一些。SE方程在溫度遠高于熔點的溫度區間沒問題，因為在高溫區間，溶液中的分子可以看成無關聯的，這時候溶液中基元的弛豫基本上是純指數的。

但是，最近大量的實驗結果表明（例如剛剛出來的PRL文章），當溫度低于一定的臨界值，SE方程開始失效。至于這一臨界溫度，目前沒有一個定論，有人認為可能是一個稱為TA的溫度（對于大多數液體在這個溫度下液體弛豫時間可能達到10_-7秒左右），也有最近PRL文章認為在高于液相溫度幾百度的溫度上。無論如何，SE方程的失效都是由于溶液中原子或分子之間存在着關聯，從而運動有可能變為COOPERATIVE或者COLLECTIVE的方式。