分子扩散

分子扩散（英语：molecular diffusion），通常简称扩散，是任何粒子（气体或液体）于绝对零度以上之环境下的热力学运动。本行为的速率是温度、流体黏度以及粒子大小（质量）的函数。扩散解释高浓度与低浓度之间存在分子净通量的原因。一旦浓度相等，分子虽持续运动，但由于浓度梯度已不复存在，分子遂停止扩散，改由自扩散主导分子的随机运动。扩散的结局是材料逐渐混合，使分子分布达成均匀。由于分子依然持续运动，但平衡也已经建立，因此分子扩散的最终状态被称为“动态平衡”。在具有均匀温度的相态中，因不受外部合力影响，扩散过程最终将达到完全混合。

由微观及宏观的角度观察扩散。起始时，障碍（紫色线条）左侧含有溶质分子，而左侧则无。当障碍移除，溶质将以扩散的刑式充满整个容器。图一：单一分子之运动是随意的。图二：当有更多分子时，溶质均匀充满容器的趋势愈加明显。图三：当有庞大数量的溶质分子时，一切的随机运动都不复可见：溶质呈现由高浓度区往低浓度区扩散的现象，遵守菲克定律。

今考虑两个等温且有能力交换粒子的系统，S₁与S₂。如果系统势能有发生交换；例如μ₁>μ₂（μ为化学势），则系统S₁至系统S₂将有能量流产生，因为自然倾向降低能量并使熵值极大化。

分子扩散一般都以菲克定律作为其数学描述。

应用

扩散是许多物理、化学及生物学科重要的基础。一些应用扩散的例子如下：

• 以烧结来制造固体材料（粉末冶金、制造陶瓷等）
• 化学反应器设计
• 化学工业的触媒设计
• 改善钢铁性质
• 半导体制程的掺杂

重要性

混合物中两种物质的扩散现象之示意图

扩散是输送现象的一部分，是一种较缓慢的质传方式。

生物学

于细胞生物学中，扩散是细胞间传送必要物质（如氨基酸）的主要方式。^[1]溶剂（如水）在半透膜上的扩散行为则被称为渗透。

气体分子扩散

物质于静止流体或跨越稳流流体之流线的输送方式为分子扩散。两相邻容器以隔墙隔开，并各自装有两假想之气体A与B，于容器中随意运动着。倘若隔墙被移除，部分气体A将移往原来被气体B占据的区域。相反地，B分子也将移往原来被纯A分子占据的区域。最终，两种分子达成完全混合。在此之前，A、B之浓度皆随着扩散轴向（X）逐渐变化，可以数学表示为-dCA/dx，其中CA是A的浓度。数学式前方的负号代表A浓度随着距离x的增加而减少。同样地，B浓度的变化则为-dCB/dx。分子A的扩散速率NA与浓度梯度和分子A于x方向上的平均速率相关，而这个关系得以菲克定律描述：

${\displaystyle N_{A}=-D_{AB}{\frac {dC_{A}}{dx}}}$（仅可用于无整体流动的情形下）

等摩尔逆向扩散

相关条目

• 扩散
• 气体分子扩散
• 等摩尔逆向扩散
• 双极性扩散

参考资料

1. Maton, Anthea; Jean Hopkins; Susan Johnson; David LaHart; Maryanna Quon Warner; Jill D. Wright. Cells Building Blocks of Life. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall. 1997: 66–67.