विसरण

This article is about समय आधारित प्रक्रिया की सामान्य अवधारणा. For other uses, see विसरण (disambiguation).

File:Diffusion.svg

कुछ कण एक गिलास पानी में विलयन (रसायन विज्ञान) हैं। सबसे पहले, सभी कण कांच के एक शीर्ष कोने के पास होते हैं। यदि कण पानी में बेतरतीब ढंग से इधर-उधर (फैलाना) घूमते हैं, तो वे अंततः उच्च सांद्रता वाले क्षेत्र से कम, और संगठित (विसरण जारी रहता है, लेकिन शुद्ध प्रवाह के बिना) बेतरतीब ढंग से और समान रूप से वितरित हो जाते हैं।

File:Diffusion v2 20101120.ogv

एक जेल में पानी में घुले डाई के विसरण का टाइम लैप्स वीडियो।

File:DiffusionMicroMacro.gif

सूक्ष्म और स्थूल दृष्टिकोण से विसरण। प्रारंभ में, एक बाधा (बैंगनी रेखा) के बाईं ओर विलेय अणु होते हैं और दाईं ओर कोई नहीं होता है। बाधा हटा दी जाती है, और विलेय पूरे कंटेनर को भरने के लिए विसरित हो जाता है। शीर्ष: एक अणु बेतरतीब ढंग से इधर-उधर घूमता है। मध्य: अधिक अणुओं के साथ, एक सांख्यिकीय प्रवृत्ति है कि विलेय कंटेनर को अधिक से अधिक समान रूप से भरता है। नीचे: विलेय अणुओं की एक विशाल संख्या के साथ, सभी यादृच्छिकता समाप्त हो गई है: विलेय सुचारू रूप से और निश्चित रूप से उच्च-सघनता वाले क्षेत्रों से कम-सांद्रता वाले क्षेत्रों में स्थानांतरित होता प्रतीत होता है। अणुओं को दाहिनी ओर धकेलने वाला कोई सूक्ष्म बल नहीं है, लेकिन नीचे के पैनल में एक प्रतीत होता है। इस आभासी बल को एंट्रोपिक बल कहते हैं।

File:Blausen 0315 Diffusion.png

पानी में बैंगनी रंग के विसरण का त्रि-आयामी प्रतिपादन।

विसरण सामान्यतः किसी भी चीज़ (उदाहरण के लिए, परमाणु, आयन, अणु, ऊर्जा) का शुद्ध संचलन है जो सामान्यतः उच्च सांद्रता वाले क्षेत्र से कम सांद्रता वाले क्षेत्र में होता है। विसरण गिब्स मुक्त ऊर्जा या रासायनिक क्षमता में प्रवणता द्वारा संचालित होता है। स्पिनोडल अपघटन की तरह, कम सांद्रता वाले क्षेत्र से उच्च सांद्रता वाले क्षेत्र में "चढ़ाई" को फैलाना संभव है।

विसरण की अवधारणा व्यापक रूप से कई क्षेत्रों में उपयोग की जाती है, जिसमें भौतिकी (कण विसरण), रसायन विज्ञान, जीव विज्ञान, समाजशास्त्र, अर्थशास्त्र और वित्त (लोगों, विचारों और मूल्य मूल्यों का विसरण) सम्मिलित हैं। विसरण का केंद्रीय विचार, हालांकि, इन सभी के लिए सामान्य है: एक पदार्थ या संग्रह जो विसरण से गुजर रहा है वह उस बिंदु या स्थान से फैलता है जहां उस पदार्थ या संग्रह की उच्च सांद्रता होती है।

प्रवणता एक मात्रा के मूल्य में परिवर्तन है, उदाहरण के लिए, एकाग्रता, दबाव, या तापमान दूसरे चर में परिवर्तन के साथ, सामान्यतः दूरी। किसी दूरी पर सान्द्रता में परिवर्तन को सान्द्रता प्रवणता कहते हैं, दूरी में दाब में परिवर्तन को दाब प्रवणता कहते हैं, और दूरी में तापमान में परिवर्तन को ताप प्रवणता कहते हैं।

विसरण शब्द लैटिन शब्द से निकला है, जिसके अंतर्गत अंतर है, जिसका अर्थ है "फैलना"।

विसरण की एक विशिष्ट विशेषता यह है कि यह कण यादृच्छिक चलने पर निर्भर करता है, और निर्देशित बल्क गति की आवश्यकता के बिना मिश्रण या बड़े पैमाने पर परिवहन में परिणाम होता है। बल्क मोशन, या बल्क फ्लो, संवहन की विशेषता है। संवहन शब्द का प्रयोग दोनों परिवहन परिघटनाओं के संयोजन का वर्णन करने के लिए किया जाता है।

यदि किसी विसरण प्रक्रिया को फ़िक के नियमों द्वारा वर्णित किया जा सकता है, तो इसे सामान्य विसरण (या फ़िकियन विसरण) कहा जाता है; अन्यथा, इसे विषम विसरण (या गैर-फ़िकियन विसरण) कहा जाता है।

विसरण की सीमा के बारे में बात करते समय, दो अलग-अलग परिदृश्यों में दो लंबाई के पैमाने का उपयोग किया जाता है:

1. आवेगी बिंदु स्रोत की ब्राउनियन गति (उदाहरण के लिए, इत्र का एक एकल स्प्रे) - इस बिंदु से औसत वर्ग विस्थापन का वर्गमूल। फ़िकियन विसरण में, यह ${\sqrt {2nDt}}$ है, जहाँ $n$ इस ब्राउनियन गति का आयाम है;
2. आयाम में निरंतर एकाग्रता स्रोत-विसरण की लंबाई। फिकियन विसरण में, यह $2{\sqrt {Dt}}$ है।

विसरण बनाम बल्क प्रवाह

"बल्क फ्लो" एक दबाव प्रवणता (उदाहरण के लिए, नल से निकलने वाला पानी) के कारण पूरे शरीर की गति/प्रवाह है। "डिफ्यूजन" एक शरीर के भीतर एकाग्रता का क्रमिक संचलन/फैलाव है, एक सघनता प्रवणता के कारण, पदार्थ के शुद्ध संचलन के बिना। एक प्रक्रिया का एक उदाहरण जहां थोक गति और विसरण दोनों होते हैं, वह मानव श्वास है।

सबसे पहले, एक "बल्क फ्लो" प्रक्रिया है। फेफड़े वक्ष गुहा में स्थित होते हैं, जो बाहरी श्वसन के पहले चरण के रूप में फैलता है। यह विस्तार फेफड़ों में एल्वियोली की मात्रा में वृद्धि की ओर जाता है, जिससे एल्वियोली में दबाव में कमी होती है। यह अपेक्षाकृत उच्च दबाव पर शरीर के बाहर की हवा और अपेक्षाकृत कम दबाव पर एल्वियोली के बीच दबाव प्रवणता बनाता है। हवा फेफड़ों के वायुमार्गों के माध्यम से और एल्वियोली में तब तक दबाव प्रवणता को नीचे ले जाती है जब तक कि हवा का दबाव और एल्वियोली में बराबर न हो जाए, यानी बल्क फ्लो द्वारा हवा का संचलन बंद हो जाता है जब दबाव प्रवणता नहीं रह जाती है .

दूसरा, एक "विसरण" प्रक्रिया होती है। एल्वियोली में पहुंचने वाली हवा में एल्वियोली में "बासी" हवा की तुलना में ऑक्सीजन की अधिक मात्रा होती है। ऑक्सीजन की सांद्रता में वृद्धि एल्वियोली में हवा और एल्वियोली को घेरने वाली केशिकाओं में रक्त के बीच ऑक्सीजन के लिए एक सांद्रता प्रवणता बनाती है। ऑक्सीजन तब विसरण द्वारा, सांद्रण प्रवणता के नीचे, रक्त में जाता है। एल्वियोली में आने वाली हवा का दूसरा परिणाम यह है कि एल्वियोली में कार्बन डाइआक्साइड की सांद्रता कम हो जाती है। यह रक्त से एल्वियोली में फैलने के लिए कार्बन डाइऑक्साइड के लिए एक सघनता प्रवणता बनाता है, क्योंकि शरीर में रक्त की तुलना में ताजी हवा में कार्बन डाइऑक्साइड की बहुत कम सांद्रता होती है।

तीसरा, एक और "बल्क फ्लो" प्रक्रिया है। हृदय की पंपिंग क्रिया तब रक्त को पूरे शरीर में पहुंचाती है। जैसे ही हृदय का बायां निलय सिकुड़ता है, आयतन घटता है, जिससे निलय में दबाव बढ़ जाता है। यह हृदय और केशिकाओं के बीच एक दबाव प्रवणता बनाता है, और रक्त रक्त वाहिकाओं के माध्यम से दबाव प्रवणता के बल्क प्रवाह से चलता है।

विभिन्न विषयों के संदर्भ में विसरण

File:Centrotherm diffusion furnaces at LAAS 0481.jpg

थर्मल ऑक्सीकरण के लिए उपयोग की जाने वाली विसरण भट्टियां

विसरण की अवधारणा का व्यापक रूप से भौतिकी (कण विसरण), रसायन विज्ञान, जीव विज्ञान, समाजशास्त्र, अर्थशास्त्र और वित्त (लोगों, विचारों और मूल्य मूल्यों का विसरण) में उपयोग किया जाता है। हालाँकि, प्रत्येक मामले में, विसरण से गुजरने वाला पदार्थ या संग्रह उस बिंदु या स्थान से "फैल रहा है" जहाँ उस पदार्थ या संग्रह की उच्च सांद्रता होती है।

विसरण की धारणा को पेश करने के दो तरीके हैं: या तो फ़िक के विसरण के नियमों और उनके गणितीय परिणामों के साथ शुरू होने वाला एक घटनात्मक दृष्टिकोण या विसरित कणों के यादृच्छिक चलने पर विचार करके एक भौतिक और परमाणु दृष्टिकोण।

परिघटना संबंधी दृष्टिकोण में, विसरण एक पदार्थ का उच्च सांद्रता वाले क्षेत्र से बिना बल्क गति के कम सांद्रता वाले क्षेत्र की ओर गति है। फिक के नियमों के मुताबिक, विसरण प्रवाह सांद्रता के ऋणात्मक प्रवणता के समानुपाती होता है। यह उच्च सघनता वाले क्षेत्रों से निम्न सान्द्रता वाले क्षेत्रों की ओर जाता है। कुछ समय बाद, ऊष्मप्रवैगिकी और गैर-संतुलन थर्मोडायनामिक्स के ढांचे में फ़िक के नियमों के विभिन्न सामान्यीकरण विकसित किए गए।

परमाणु के दृष्टिकोण से, विसरण को विसरण करने वाले कणों के यादृच्छिक चलने का परिणाम माना जाता है। आणविक विसरण में, गतिशील अणु तापीय ऊर्जा द्वारा स्व-चालित होते हैं। 1827 में रॉबर्ट ब्राउन द्वारा एक द्रव में निलंबन में छोटे कणों की एक यादृच्छिक चाल की खोज की गई, जिन्होंने पाया कि एक तरल माध्यम में निलंबित सूक्ष्म कण और एक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत दिखाई देने के लिए पर्याप्त रूप से ज्ञात कणों की एक तीव्र और निरंतर अनियमित गति, ब्राउनियन आंदोलन के रूप में प्रदर्शित करते हैं। ब्राउनियन गति का सिद्धांत और विसरण की परमाणु पृष्ठभूमि अल्बर्ट आइंस्टीन द्वारा विकसित की गई थी। विसरण की अवधारणा सामान्यतः किसी भी विषय वस्तु पर लागू होती है जिसमें व्यक्तियों के पहनावे में यादृच्छिक चलना सम्मिलित होता है।

रसायन विज्ञान और सामग्री विज्ञान में, विसरण का अर्थ झरझरा ठोस पदार्थों में द्रव अणुओं की गति है। आणविक विसरण तब होता है जब किसी अन्य अणु के साथ टकराने की संभावना छिद्र की दीवारों से टकराने की तुलना में अधिक होती है। ऐसी परिस्थितियों में, विसारकता एक गैर-सीमित स्थान के समान है और औसत मुक्त पथ के समानुपाती है। नुडसन विसरण तब होता है जब छिद्र व्यास छिद्र के माध्यम से फैलाने वाले अणु के औसत मुक्त पथ से तुलनीय या उससे छोटा होता है। इस स्थिति में, छिद्रों की दीवारों से टकराने की संभावना धीरे-धीरे अधिक हो जाती है और विसरण कम होता है। अंत में, विन्यासात्मक विसरण होता है, जो तब होता है जब अणुओं का आकार छिद्र के आकार के बराबर होता है। इस स्थिति के तहत, आणविक विसरण की तुलना में विसरण बहुत कम होता है और अणु के गतिज व्यास में छोटे अंतर के कारण विसरण में बड़े अंतर होते हैं।

विसरण द्वारा आयनों या अणुओं की गति का वर्णन करने के लिए जीवविज्ञानी अक्सर "नेट मूवमेंट" या "नेट डिफ्यूज़न" शब्द का उपयोग करते हैं। उदाहरण के लिए, कोशिका झिल्लियों के माध्यम से ऑक्सीजन तब तक फैल सकती है जब तक कोशिका के बाहर ऑक्सीजन की उच्च सांद्रता होती है। हालाँकि, क्योंकि अणुओं की गति यादृच्छिक होती है, कभी-कभी ऑक्सीजन के अणु कोशिका से बाहर निकल जाते हैं (एकाग्रता प्रवणता के विरुद्ध)। चूंकि कोशिका के बाहर अधिक ऑक्सीजन अणु होते हैं, इसलिए ऑक्सीजन अणुओं के कोशिका में प्रवेश करने की संभावना इस संभावना से अधिक होती है कि ऑक्सीजन के अणु कोशिका को छोड़ देंगे। इसलिए, ऑक्सीजन अणुओं का "शुद्ध" आंदोलन (कोशिका में प्रवेश करने वाले या छोड़ने वाले अणुओं की संख्या के बीच का अंतर) कोशिका में होता है। दूसरे शब्दों में, सघनता प्रवणता के नीचे ऑक्सीजन अणुओं का एक शुद्ध संचलन होता है।

भौतिक विज्ञान में विसरण का इतिहास

समय के दायरे में, विसरण के सिद्धांत के निर्माण से बहुत पहले ठोस पदार्थों में विसरण का उपयोग किया गया था। उदाहरण के लिए, प्लिनी द एल्डर ने पहले सिमेंटेशन प्रक्रिया का वर्णन किया था, जो कार्बन विसरण के माध्यम से लौह तत्व (Fe) से स्टील का उत्पादन करता है। एक और उदाहरण जो कई सदियों से अच्छी तरह से जाना जाता है, रंगीन कांच या मिट्टी के बरतन और चीनी चीनी मिट्टी के बरतन के रंगों का विसरण है।

आधुनिक विज्ञान में, विसरण का पहला व्यवस्थित प्रयोगात्मक अध्ययन थॉमस ग्राहम द्वारा किया गया था। उन्होंने गैसों में विसरण का अध्ययन किया, और मुख्य घटना का वर्णन उनके द्वारा 1831-1833 में किया गया था।

    "... विभिन्न प्रकृति की गैसें, जब संपर्क में लाई जाती हैं, तो वे अपने घनत्व के अनुसार खुद को व्यवस्थित नहीं करतीं, सबसे भारी नीचे और सबसे हल्की ऊपर, लेकिन वे एक दूसरे के माध्यम से सहज रूप से, परस्पर और समान रूप से फैलती हैं, और इस तरह से रहती हैं। किसी भी लम्बाई के लिए मिश्रण की अंतरंग अवस्था।"

ग्राहम की माप ने जेम्स क्लर्क मैक्सवेल को 1867 में हवा में सीओ 2 के विसरण के गुणांक में योगदान दिया। त्रुटि दर 5% से कम है।

1855 में, ज्यूरिख के 26 वर्षीय शरीर रचना प्रदर्शनकर्ता एडॉल्फ फिक ने विसरण के अपने कानून का प्रस्ताव रखा। उन्होंने अपने लक्ष्य को "अंतरिक्ष के एक तत्व में विसरण के संचालन के लिए एक मौलिक कानून के विकास" के रूप में बताते हुए ग्राहम के शोध का उपयोग किया। उन्होंने गर्मी या बिजली के विसरण और चालन के बीच एक गहरी सादृश्यता का दावा किया, गर्मी चालन के लिए फूरियर के नियम (1822) और विद्युत धारा (1827) के लिए ओम के नियम के समान एक औपचारिकता का निर्माण किया।

रॉबर्ट बॉयल ने 17वीं शताब्दी में एक तांबे के सिक्के में जस्ते की पैठ बनाकर ठोस पदार्थों में विसरण का प्रदर्शन किया। फिर भी, 19वीं शताब्दी के दूसरे भाग तक ठोस पदार्थों में विसरण का व्यवस्थित अध्ययन नहीं किया गया था। विलियम चांडलर रॉबर्ट्स-ऑस्टेन, प्रसिद्ध ब्रिटिश धातुविज्ञानी और थॉमस ग्राहम के पूर्व सहायक ने 1896 में सीसे में सोने के उदाहरण पर व्यवस्थित रूप से ठोस अवस्था विसरण का अध्ययन किया।

    "... ग्राहम के शोधों के साथ मेरे लंबे संबंध ने धातुओं के तरल विसरण पर अपने काम का विस्तार करने का प्रयास करना लगभग एक कर्तव्य बना दिया।"

1858 में, रुडोल्फ क्लॉज़ियस ने माध्य मुक्त पथ की अवधारणा पेश की। उसी वर्ष, जेम्स क्लर्क मैक्सवेल ने गैसों में परिवहन प्रक्रियाओं का पहला परमाणु सिद्धांत विकसित किया। विसरण और ब्राउनियन गति का आधुनिक परमाणु सिद्धांत अल्बर्ट आइंस्टीन, मैरियन स्मोलुचोव्स्की और जीन-बैप्टिस्ट पेरिन द्वारा विकसित किया गया था। लुडविग बोल्ट्जमैन ने मैक्रोस्कोपिक परिवहन प्रक्रियाओं की परमाणु पृष्ठभूमि के विकास में बोल्ट्जमैन समीकरण की शुरुआत की, जिसने गणित और भौतिकी को परिवहन प्रक्रिया के विचारों और चिंताओं के स्रोत के रूप में 140 से अधिक वर्षों तक सेवा प्रदान की है।

1920-1921 में, जॉर्ज डे हेवेसी ने रेडियो आइसोटोप का उपयोग करके स्व-विसरण को मापा। उन्होंने तरल और ठोस सीसे में सीसे के रेडियोधर्मी समस्थानिकों के स्व-विसरण का अध्ययन किया।

याकोव फ्रेनकेल (कभी-कभी, जैकब / जैकब फ्रेनकेल) ने 1926 में प्रस्तावित और विस्तृत किया, स्थानीय दोषों (रिक्तियों और अंतरालीय परमाणुओं) के माध्यम से क्रिस्टल में विसरण का विचार। उन्होंने निष्कर्ष निकाला, संघनित पदार्थ में विसरण प्रक्रिया प्राथमिक छलांग और कणों और दोषों के अर्ध-रासायनिक अंतःक्रियाओं का एक संयोजन है। उन्होंने विसरण के कई तंत्र पेश किए और प्रायोगिक डेटा से दर स्थिरांक पाए।

कुछ समय बाद, कार्ल वैगनर और वाल्टर एच. शोट्की ने विसरण की क्रियाविधि के बारे में फ्रेंकेल के विचारों को और विकसित किया। वर्तमान में, यह सर्वमान्य है कि क्रिस्टल में विसरण की मध्यस्थता के लिए परमाणु दोष आवश्यक हैं।

सह-लेखकों के साथ हेनरी आइरिंग ने निरपेक्ष प्रतिक्रिया दर के अपने सिद्धांत को फ्रेनकेल के विसरण के अर्ध-रासायनिक मॉडल पर लागू किया। रिएक्शन कैनेटीक्स और डिफ्यूज़न के बीच की सादृश्यता फिक के नियम के विभिन्न अरैखिक संस्करणों की ओर ले जाती है।

विसरण के मूल मॉडल

विसरण प्रवाह

विसरण का प्रत्येक मॉडल सांद्रता, घनत्व और उनके डेरिवेटिव (संजात) के उपयोग के साथ विसरण प्रवाह को व्यक्त करता है। फ्लक्स एक वेक्टर है $\mathbf {J}$ स्थानांतरण की मात्रा और दिशा का प्रतिनिधित्व करता है। एक छोटा सा क्षेत्र दिया $\Delta S$ सामान्य के साथ ${\boldsymbol {\nu }}$ भौतिक मात्रा का स्थानांतरण $N$ क्षेत्र के माध्यम से $\Delta S$ समय के लिए $\Delta t$ है

$\Delta N=(\mathbf {J} ,{\boldsymbol {\nu }})\,\Delta S\,\Delta t+o(\Delta S\,\Delta t)\,,$

जहाँ$(\mathbf {J} ,{\boldsymbol {\nu }})$ आंतरिक उत्पाद है और $o(\cdots )$ लिटिल-ओ नोटेशन है। यदि हम वेक्टर क्षेत्र के अंकन का उपयोग करते हैं $\Delta \mathbf {S} ={\boldsymbol {\nu }}\,\Delta S$ तब

$\Delta N=(\mathbf {J} ,\Delta \mathbf {S} )\,\Delta t+o(\Delta \mathbf {S} \,\Delta t)\,.$

विसरण प्रवाह का आयामी विश्लेषण [प्रवाह] = [मात्रा]/([समय]·[क्षेत्र]) है। फैलाने वाली भौतिक मात्रा $N$ कणों की संख्या, द्रव्यमान, ऊर्जा, विद्युत आवेश या कोई अन्य अदिश व्यापक मात्रा हो सकती है। इसके घनत्व के लिए, $n$, विसरण समीकरण का रूप है

$\frac{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}n}{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}t}$