Диффузией называется явление взаимопроникновения двух или нескольких веществ, которые касаются друг к другу. Диффузия возникает в газе, если газ неоднороден по составу, т.е. если он состоит из двух или нескольких различных компонент, концентрация которых меняется от точки к точке.
Процесс диффузии заключается в том, что каждая из компонент смеси переходит из частей объема газа, где его концентрация больше, туда, где она меньше, то есть в направлении падения концентрации.
Перемещение той или иной компоненты под действием разности концентраций называется диффузионным потоком этой компоненты. Выражается он количеством диффундирующего компоненты, проходящей за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению диффузии, т.е. к направлению падения концентрации.
Диффузионный поток можно выразить в единицах массы. В СИ он выражается в килограммах на квадратный метр-секунду [(кг / (м2 • с)], а в системе СГС - в граммах на квадратный сантиметр-секунду [(г / (см2 • с)]. Единицей измерения диффузионного потока может быть также число молей [(моль / (см2 • с)] или молекул [(молекула / (см2 • с)] и т. д. Концентрация этой компоненты может выражаться в килограммах на кубический метр (кг/м3), граммах на кубический сантиметр (г/см3), моль на кубический сантиметр (моль/см3) и т. д.
Неоднородна газовая смесь, на которую не влияют внешние факторы, станет через некоторое время, благодаря диффузии, однородной (газы перемешиваются).
Диффузию, что приводит к выравниванию концентраций, т.е. к изменению разности концентраций и самих концентраций компонент, называют нестационарной диффузией.
Стационарная диффузия происходит в газовой системе, когда каким-то искусственным путем разность концентраций компонент смеси поддерживается неизменной. Для этого нужно, например, в одну часть сосуда непрерывно добавлять такую компоненту, а с другой части сосуда отбирать ее в таком же количестве. Чаще всего приходится иметь дело с нестационарной диффузией.
Основной закон диффузии (закон Фика). Опыт показывает, что диффузионный поток любой компоненты пропорционален градиенту концентрации этого компоненты, взятом с обратным знаком (закон Фика).
Градиентом любой величины (скалярной) G, зависит от координат, называют вектор, характеризующий изменения этой величины в пространстве. В дальнейшем будем рассматривать случаи, когда величины G, которые мы анализируем, меняются только вдоль какого-то одного направления, например вдоль оси х. В этом случае численное значение градиента G (обозначается grad G) равна скорости изменения величины G с изменением x. Коэффициент диффузии D зависит от свойств диффундирующего вещества и компонент. При стационарной диффузии градиент концентрации остается постоянным (неизменным со временем). Поэтому остается постоянным также и диффузионный поток. В случае нестационарной диффузии градиент концентрации изменяется (концентрации выравниваются). Согласно этому меняется со временем и диффузионный поток.