什麼是擴散

由物理量梯度引起的使該物理量平均化的物質遷移現象。由濃度梯度引起的稱分子擴散；由温度梯度引起的稱熱擴散；由外力(如壓力、電場或磁場等)梯度引起的稱強制擴散，等等。擴散是許多重要的傳質過程（例如蒸餾、吸收、熱擴散、電解和電泳等）的基礎。

分子擴散和對流傳遞在機理上的區別是，後者屬整體流動，即基元體積物料中的各組分都以相同的速度運動，濃度並不因此改變；但在擴散時，基元體積中各組分的擴散速度一般不相等，各組分的濃度因此有所改變。

分子擴散

如圖所示，容器中儲有氣體A和B。如抽去隔板，由於分子的熱運動，A將從濃度高的左側沿x方向擴散，而B則向相反方向擴散，直到全容器內的濃度趨於均一。在常温常壓下，氣體分子每經約10-7米（稱平均自由程）即發生互撞。分子愈密集，碰撞機會愈多，即擴散阻力愈大，擴散愈慢。因此，壓力高時擴散慢；液體中比氣體中擴散慢；固體中擴散則更慢。

分子擴散的速率由斐克定律表示。在雙組元混合物A、B的一維穩態擴散時，此定律表達式為：

式中JA為組分A在B中的摩爾分子擴散通量［摩爾分子／（米2·秒）］;DAB為組分A在B中的擴散係數(米2/秒)；dCA/dx為在該處的組分A沿x方向的濃度梯度；負號表示擴散方向與梯度的方向相反。根據具本情況，將上式積分就可求得擴散通量。通常遇到的一維穩態分子擴散為等分子相互擴散(兩個組分的擴散方向相反且通量相等)和單向擴散(一組分通過其他組分的停滯層的擴散)。如DAB為恆值則它們的擴散通量為：

等分子相互擴散　

單向擴散

擴散係數的大小表徵擴散過程的快慢。對常温常壓下的大多數氣體，其值在10-4～10-5米2/秒；對低粘度液體約為10-8～10-9米2/秒;對固體則為10-9～10-15米2/秒或更小。

對非穩態擴散（如圖所示的容器在抽去隔板後，氣體濃度漸趨均一的過程），濃度隨位置和時間t而變，故對一維的情況是：

結合邊界條件，由上面後式可求解出濃度場CA(x，t)，經微分後代入前式便可得擴散通量JA(x，t)。

渦流擴散

在層流時，流體流層間的傳質僅為分子擴散；但在湍流時，由於渦流和脈動運動，使擴散大為加快，這種擴散稱渦流擴散或湍流擴散。仿照分子擴散的公式，穩態一維擴散時的渦流擴散通量

式中E為渦流擴散係數，它是雷諾數、離壁位置和流體物性的函數，由實驗測定。

渦流擴散時，也存在分子擴散，故擴散總通量JA為兩者的疊加：

對於湍流，EDAB，但愈近壁面，E愈小，在壁面近旁的層流內，E就等於零。

熱擴散

由物質兩端的温差所引起的擴散稱熱擴散，其通量JAE可表示為：

式中DE為熱擴散係數（米2/秒）；C為流體的總摩爾分子濃度(千克·摩爾分子/米3)；T為熱力學温度（開）。DE的值視分子大小及化學性質而定， 一般都不及分子擴散係數的30％。因此，只在温度梯度很大且無湍動時，熱擴散才顯得重要。在同位素的分離方面，熱擴散得到應用。

強制擴散

在外界條件影響下的擴散。離子在電場中的遊動就是強制擴散，其通量為：

V為電壓(伏)；UA為A組分的運動度[米2/(秒·伏)]，與擴散係數相當，其值因離子的種類、溶劑的性質和温度而異。25℃時的稀水溶液，除H+和OH-外，此值一般在3×10-8～8×10-8米2/(秒·伏)。

多孔介質中的擴散

氣體在多孔介質中的擴散，除有一般的分子擴散外，還可能有克努曾擴散和表面擴散。由於氣體分子的平均自由程遠大於固體中的微孔直徑，因此，氣體擴散的阻力將不是來自分子間的碰撞，而是來自氣體分子與孔壁的碰撞。這種擴散稱微孔擴散或克努曾擴散，其擴散係數 DK（米2／秒）與微孔半徑a(米)的關係式如下：

DK＝97a(T/Μ)

式中T為熱力學温度(開)；Μ為分子量。對於二組元（A和 B）系統的等分子擴散，如分子擴散和微孔擴散並存，則綜合擴散係數D可用下式計算：

由於許多粒子中的微孔形狀曲折溝連，極不規則，因此需用有效擴散係數De來表達。De由實驗求定，或用下式估算：

De＝(εp/τ)D，

式中εp為粒子的空隙率;τ是微孔形狀因子或稱迷宮因子，在無實測值時，可取τ＝4。

微孔中的擴散對氣－固相催化反應尤為重要。如果這一步的阻力遠大於反應中其他各步（如吸附，表面反應），過程速率就完全取決於微孔中的擴散（亦稱內擴散控制）。

擴散組分在固體粒子的微孔內被吸附後，由於氣體有濃度梯度，被吸附的分子也有相應的濃度梯度，因此它們就可能沿表面移動，這種現象稱為表面擴散，目前對它的研究還不充分。

華東化工學院等編：《化學工程》，第二冊，化學工業出版社，北京，1980。

wood， et al.， Mass Transfer，McGrawHill，New York，1975.