Почему диффузия является самопроизвольным процессом?

Диффузия является самопроизвольным процессом, поскольку одно растворенное вещество не зависит от градиентов концентрации других растворенных веществ и поскольку оно включает процесс пассивного переноса, что означает, что энергия не расходуется, когда вещества диффундируют вниз по градиенту концентрации. Как следует из приведенного выше комментария, движение вещества по градиенту его концентрации происходит из-за случайного теплового движения.

Свободная энергия Гиббса определяется выражением

В процессах распространения вы можете удалить рабочий термин по причинам, перечисленным выше.

Википедия Первый закон Фика

Первый закон Фика связывает диффузионный поток с концентрацией в предположении установившегося состояния. Он постулирует, что поток идет из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией с величиной, которая пропорциональна градиенту концентрации (пространственной производной), или, упрощенно говоря, концепция, согласно которой растворенное вещество будет перемещаться из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. область низкой концентрации по градиенту концентрации. В одном (пространственном) измерении закон таков:

где

$J$ представляет собой «диффузионный поток», размерностью которого является количество вещества на единицу площади в единицу времени, поэтому он выражается в таких единицах, как моль $m^{−2} s^{−1}$. 

$J$ измеряет количество вещества, которое протечет через единицу площади за единицу времени.

$D$- коэффициент диффузии или коэффициент диффузии. Его размерность - это площадь в единицу времени, поэтому типичными единицами для его выражения будут$m^2/s$.

$φ$(для идеальных смесей) – концентрация, размерностью которой является количество вещества в единице объема. Она может быть выражена в единицах${mol/m^3}$.

$x$ есть позиция, размерностью которой является длина. Таким образом, это может быть выражено в единицах$m$.

$D$ пропорциональна квадрату скорости диффундирующих частиц, которая зависит от температуры, вязкости жидкости и размера частиц согласно соотношению Стокса-Эйнштейна. В разбавленных водных растворах коэффициенты диффузии большинства ионов близки и имеют значения, которые при комнатной температуре лежат в пределах$0.6 × 10^{−9}$ к$2 × 10^{−9} m^2/s$. Для биологических молекул коэффициенты диффузии обычно находятся в диапазоне от$10^{−11}$к$10^{−10} m^2/s$.

Вот простой статистический ответ, по крайней мере, на вопрос в вашем заголовке. Возможно, это не тот конкретный ответ, который вам нужен, но, как учитель, я обнаружил, что это помогает сначала понять на более базовом уровне, чем свободная энергия. Единственная необходимая научная концепция состоит в том, что частицы постоянно находятся в движении.

Представьте себе закрытую коробку с разделителем посередине. Сделаем отверстие в перегородке. Опустошите коробку, частиц нет вообще. Теперь поместите 10 атомов аргона с одной стороны, А, другая сторона, В, останется пустой. Поскольку частицы постоянно движутся, некоторые из них каждую секунду пересекают перегородку через отверстие.

Вероятность движения частицы из В в А равна нулю, так как там нет частиц. Вероятность перемещения из A в B не равна нулю, некоторые из этих частиц доберутся до B. (Левая часть рисунка ниже). Когда первая частица входит в B, теперь у нее есть шанс вернуться в A. Но шансов, что частицы A переместятся в B, в девять раз больше. Таким образом, ЧИСТОЕ движение частиц по-прежнему происходит из A в B.

Возьмем случай, когда в А находится 6 атомов, а в В — 4 атома. Хотя атомы все еще движутся обратно из В в А, у атомов больше шансов переместиться из А в В из-за большего числа атомов на стороне. А. Таким образом, чистое движение по-прежнему остается от А к Б. (Правая часть рисунка выше.)

Наконец, что происходит, когда с каждой стороны по пять человек. Теперь шансы переместиться из А в В такие же, как и шансы переместиться из В в А. Движение все еще происходит, но каждый раз, когда одна сторона получает больше атомов, чем другая, у этой стороны больше шансов уйти, чем войти. Устанавливается динамическое равновесие. С реальным количеством частиц на макроскопическом уровне кажется, что диффузия исчерпала себя.

Есть и другой взгляд на это, если вы вообще изучали энтропию. Одним из аспектов энтропии, говоря простым языком, является то, что наиболее благоприятным состоянием системы является то, которое имеет больше возможных вариантов возникновения. Применительно к приведенному выше обсуждению, сколько существует способов найти все атомы на стороне А? Только один. Сколько способов найти 9 атомов на стороне А и 1 атом на стороне В? Десять, потому что это может быть любой из десяти общих атомов на этой стороне. Это означает, что в любой момент времени у нас в десять раз больше шансов увидеть распределение 9:1, чем 10:0. Угадайте, какое распределение имеет наибольшее количество возможных способов распределения отдельных атомов? Ага, 5:5

Если вы начертите это, вы увидите кривую в форме колокола, выпуклую в середине 5:5. Существует больше возможных комбинаций распределения частиц в направлении разделения 5:5, поэтому вероятность того, что это имеет место в любой момент времени, выше.