Ρυθμός Διάχυσης

Η διάχυση ορίζεται ως η κίνηση των μορίων μιας ουσίας σε μια μονάδα μάζας από μια ζώνη υψηλότερης συγκέντρωσης σε μια ζώνη χαμηλότερης συγκέντρωσης που συνδέεται με μια ενεργή δύναμη λόγω διαφοράς συγκέντρωσης (η αναλογία μιας ουσίας σε ένα μείγμα ένωσης).

Η μετανάστευση των μορίων συνεχίζεται μέχρι να επιτευχθεί η κατάσταση ισορροπίας (το άθροισμα όλων των δυνάμεων είναι μηδέν όταν η φύση του σώματος βρίσκεται σε ηρεμία ή βρίσκεται σε ομοιόμορφη κίνηση) μεταξύ δύο διαφορετικών ζωνών συγκέντρωσης. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό διάχυσης είναι η θερμοκρασία, το ιξώδες και η μάζα (μέγεθος σωματιδίων) της ουσίας.

Εφαρμογές διάχυσης

• Απορρόφηση ενός φαρμάκου που απελευθερώνεται στον οργανισμό (δισκία, σκόνες, αλοιφές, ενέσεις)
• Διαδικασία απέκκρισης μέσω των νεφρών
• Αλλαγές αερίων στις κυψελίδες

Παράγοντες που επηρεάζουν τον ρυθμό διάχυσης

• Θερμοκρασία
• Διαφορά συγκέντρωσης
• Ηλεκτρικό δυναμικό
• Πίεση όσμωσης

Νόμος της διάχυσης του Fick

Η διαδικασία της διάχυσης που εξηγείται από τον Adolf Fick δηλώνει ότι η διάχυση είναι η κίνηση των μορίων από μια περιοχή υψηλότερης συγκέντρωσης σε μια περιοχή χαμηλότερης συγκέντρωσης. Ο νόμος της διάχυσης του Fick προτάθηκε το 1855. Κατηγοριοποίησε τη διαδικασία υπό δύο προϋποθέσεις:

1. Κανονική διάχυση:Η διαδικασία διάχυσης που ακολουθεί τους κανόνες του Fick ονομάζεται κανονική διάχυση. Είναι συχνά γνωστό ως διάχυση Fickian.
2. Ακανόνιστη διάχυση:Πρόκειται για μια διαδικασία διάχυσης που δεν ακολουθεί τους κανόνες του Fick. Είναι επίσης γνωστή ως μη Φικιανή διάχυση.

Ο Adolf Frick εξήγησε δύο αλληλένδετους νόμους. Χρησιμοποιώντας τον πρώτο είναι δυνατή η ανάπτυξη του δεύτερου νόμου, ο οποίος είναι συγκρίσιμος με την εξίσωση διάχυσης. Ο συντελεστής διάχυσης «D» μπορεί να λυθεί χρησιμοποιώντας το νόμο της διάχυσης του Fick.

Σύμφωνα με το νόμο, «η μοριακή ροή λόγω της διάχυσης είναι ανάλογη με τη βαθμίδα συγκέντρωσης». Σε αυτό, η ροή αναφέρεται στη μοριακή μεταφορά από τη μια ζώνη στην άλλη και η κλίση σημαίνει μια αλλαγή σε οποιαδήποτε από τις μεταβλητές, π.χ. συγκέντρωση, πίεση ή θερμοκρασία.

Ο πρώτος νόμος του Fick 

Εξηγεί ότι σε μια βαθμίδα συγκέντρωσης, η μετανάστευση των διαλυμένων ουσιών γίνεται από υψηλότερη συγκέντρωση σε χαμηλότερη συγκέντρωση.

J =−D(dϕ/dx),

όπου 

J:Ροή διάχυσης

Δ:Διάχυση

Φ:Συγκέντρωση

X:Θέση.

Ο δεύτερος νόμος του Fick

Ο δεύτερος νόμος του Fick εξηγεί ότι στη διαδικασία της διάχυσης, ο χρόνος που έχει παρέλθει και το τετράγωνο της περιόδου κατά την οποία συμβαίνει η διάχυση έχουν θεμελιώδη σχέση. Για ακριβή αριθμητική μοντελοποίηση της διάχυσης, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε αυτήν τη σχέση.

Εάν οι συντελεστές είναι ίσοι και ανεξάρτητοι από τη θερμοκρασία, την πίεση και άλλες μεταβλητές. Η διαδικασία διασφαλίζει ότι οι εξισώσεις μαζικής μετανάστευσης στο μοντελοποιημένο πεδίο είναι γραμμικές, καθώς και ότι διευκολύνει τις συσχετίσεις με γνωστά διαγνωστικά όρια. Μόλις καθοριστεί η συμπεριφορά με όλους τους ίδιους συντελεστές διάχυσης, η υπόθεση μπορεί να απορριφθεί.

Ο νόμος δηλώνει ότι «πρόβλεψη της αλλαγής της συγκέντρωσης μαζί με το χρόνο λόγω διάχυσης» ή μπορεί να υποστηριχθεί ότι η μεταβολή της συγκέντρωσης σε μια περιοχή με την πάροδο του χρόνου είναι ανάλογη με τη διαφορά στη βαθμίδα συγκέντρωσης τη στιγμή της μέτρησης.

∂ϕ/∂t=D(∂2ϕ/∂x2), 

όπου

Δ:Διάχυση

t:Ώρα

ϕ :Συγκέντρωση

X:Θέση

Εφαρμογή του νόμου του Fick 

• Χρήση φαρμάκων/φαρμάκων
• Βιομηχανίες τροφίμων
• Κατασκευή ημιαγωγών για την κατασκευή πάνελ ολοκληρωμένων κυκλωμάτων
• Βιολογική χρήση, ροή =-P(C1 – C2) όπου P:Διαπερατότητα, C1 – C2:Διαφορά συγκέντρωσης

Διαπερατότητα

• Σκεφτείτε δύο διαμερίσματα κυψέλης διαίρεσης πάχους "h" και επιφάνειας διατομής "a"
• Λάβετε υπόψη τα C1 και C2 τη συγκέντρωση του δότη και του υποδοχέα αντίστοιχα
• Αντικαταστήστε τα C1 και C2 με τον συντελεστή κατανομής, π.χ. K=C1/C2
• Ως εκ τούτου P=DK/h
• Όπου P:Διαπερατότητα, K:Συντελεστής διαχωρισμού, h:Πάχος φράγματος διαχωρισμού.

Μοντελοποίηση διάχυσης

Η μοντελοποίηση κυψελών διάχυσης χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της διάχυσης.

• Μετακίνηση σωματιδίων από το κύτταρο δότη προς τον υποδοχέα μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία.
• Το κύτταρο δότη έχει υψηλή συγκέντρωση διαλυμένης ουσίας ενώ ο υποδοχέας έχει χαμηλότερο επίπεδο συγκέντρωσης.

Ένα κελί διάχυσης είναι:

• Κυρίως αποτελείται από διαφανές πλαστικό ή γυαλί
• Επιτρέπει την εύκολη συντήρηση και είναι βολικό στη χρήση
• Εχει προβλέψεις για εξωτερική άνοδο θερμοκρασίας
• Παρέχει τεχνική συλλογής δείγματος στο κύτταρο υποδοχέα
• Χρησιμοποιείται η χρωματολογία για ανάλυση

Η έννοια του νόμου του Fick

Οι αρχές που ελέγχουν τη μαζική μετανάστευση των μορίων μέσω της διαδικασίας της διάχυσης επινοήθηκαν αρχικά από τον Adolf Fick. Το έργο του Fick ήταν εμπνευσμένο από τον Thomas Graham, ο οποίος δεν μπόρεσε να παρουσιάσει τους θεμελιώδεις νόμους, κάνοντας τον Fick διάσημο για τα αποτελέσματά του. Η παρακολούθηση των συγκεντρώσεων αλάτων και των ροών που διαχέονταν μεταξύ δύο δεξαμενών μέσω σωλήνων νερού ήταν η κύρια εστίασή του.

Συμπέρασμα

Η διάχυση οδηγεί σε προοδευτική ανάμειξη υλικών. Η διαδικασία της διάχυσης θα οδηγήσει τελικά σε πλήρη ανάμειξη σε φάση με σταθερή θερμοκρασία και χωρίς εξωτερικές καθαρές δυνάμεις που επενεργούν στα μόρια. Οι εφαρμογές της διάχυσης μπορούν να παρατηρηθούν σε διάφορους τομείς της βιολογίας και της χημείας, εξηγώντας την ανταλλαγή ουσιών για τις απαραίτητες διαδικασίες ζωής, συμπεριλαμβανομένης της απορρόφησης φαρμάκων σε αλλαγές οξυγόνου, διοξειδίου του άνθρακα και αζώτου στις κυψελίδες, σε διάφορους οργανισμούς τροφίμων κ.λπ. Ο νόμος του Fick εξηγεί την αρχή της διάχυσης στα υγρά, αλλά είναι περιορισμένος όσον αφορά τη διάχυση στερεών, καθώς δεν ήταν δυνατό κατά την εποχή του.