Закон Фика

Законы диффузии Фика - это эмпирические детерминистские модели реальных явлений, описывающие отношения между переменными величинами, определяющими диффузию. Первый закон диффузии описывает отношения между переменными неизменными во времени, второй закон диффузии - отношения между переменными, меняющимися во времени. Законы сформулированы в 1858 г. германским физиологом Адольфом Фиком.

Допустим, что происходит диффузия определенного вещества из слоя среды с большей концентрацией C1 данного вещества в направлении слоя среды с меньшей концентрацией C2 данного вещества. Диффузия осуществляется через граничный слой среды с площадью s и толщиной l. Тогда, в отсутствии внешних воздействий плотность потока диффузии m данного вещества (плотность потока диффузанта, плотность диффузионного потока, 1 / м2с или кг /м2с) прямо пропорциональна градиенту концентрации (уменьшению концентрации на единицу длины, 1 / м4 или кг / м4, на схеме - плоскость красного цвета, gradC ~ d(C1 - C2), площади слоя s и обратно пропорциональна его длине l:

m = -D · gradC · s / l.

Градиент концентрации, gradC направлен по нормали к поверхности граничного слоя. За положительное направление этого вектора принимается направление в сторону возрастания концентрации. Поток диффузанта имеет определенное направление от точек среды с более высокой концентрацией к точкам с более низкой концентрацией диффузанта. Знак минус указывает на то, что поток вещества направлен в сторону уменьшения концентрации. Вследствие этого в изолированной системе имеется тенденция к исчезновению концентрационных градиентов.

Коэффициент пропорциональности D называется коэффициентом диффузии. Это постоянная величина, зависящая от свойств диффузионной среды и природы диффузанта. Он имеет размерность площадь/время (обычно см2 / с, м2 / с). В общем, выбор единиц для измерения количества вещества определяется характером конкретной задачи (единицы массы, объёма и т.д.).

Если первый закон Фика описывает стационарный процесс диффузии, то есть отношения между переменными при стационарных условиях, постоянном во времени градиенте концентраций, то второй закон Фика описывает нестационарный процесс диффузии, отношения между переменными при изменяющемся во времени градиенте концентраций.

Законы диффузии Фика - предмет детерминистской аналитической теории диффузии, лишь очень приближенно описывающей реальные вероятностные по своей сущности физические явления.