La difusión molecular , a menudo llamada simplemente difusión , es el movimiento térmico de todas las partículas (líquidas o gaseosas) a temperaturas superiores al cero absoluto . La velocidad de este movimiento es función de la temperatura, la viscosidad del fluido y el tamaño (masa) de las partículas. La difusión explica el flujo neto de moléculas desde una región de mayor concentración a otra de menor concentración. Una vez que las concentraciones son iguales las moléculas continúan moviéndose, pero como no hay gradiente de concentración el proceso de difusión molecular ha cesado y en cambio se rige por el proceso de autodifusión , originado por el movimiento aleatorio de las moléculas. El resultado de la difusión es una mezcla gradual de material de modo que la distribución de moléculas sea uniforme. Dado que las moléculas todavía están en movimiento, pero se ha establecido un equilibrio, el resultado de la difusión molecular se denomina "equilibrio dinámico". En una fase con temperatura uniforme, sin fuerzas netas externas que actúen sobre las partículas, el proceso de difusión eventualmente resultará en una mezcla completa.
Considere dos sistemas; S 1 y S 2 a la misma temperatura y capaces de intercambiar partículas . Si hay un cambio en la energía potencial de un sistema; por ejemplo μ 1 > μ 2 (μ es potencial químico ) , se producirá un flujo de energía de S 1 a S 2 , porque la naturaleza siempre prefiere poca energía y máxima entropía .
La difusión molecular normalmente se describe matemáticamente utilizando las leyes de difusión de Fick .
La difusión es de fundamental importancia en muchas disciplinas de la física, la química y la biología. Algunos ejemplos de aplicaciones de difusión:
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La difusión forma parte de los fenómenos de transporte . De los mecanismos de transporte de masa, la difusión molecular se conoce como uno más lento.
En biología celular , la difusión es una forma principal de transporte de materiales necesarios, como los aminoácidos, dentro de las células. [1] La difusión de disolventes, como el agua, a través de una membrana semipermeable se clasifica como ósmosis .
El metabolismo y la respiración dependen en parte de la difusión, además de los procesos activos o en masa. Por ejemplo, en los alvéolos de los pulmones de los mamíferos , debido a las diferencias en las presiones parciales a través de la membrana alveolar-capilar, el oxígeno se difunde hacia la sangre y el dióxido de carbono se difunde hacia afuera. Los pulmones contienen una gran superficie para facilitar este proceso de intercambio de gases.
Fundamentalmente se distinguen dos tipos de difusión:
Los coeficientes de difusión para estos dos tipos de difusión son generalmente diferentes porque el coeficiente de difusión para la difusión química es binario e incluye los efectos debidos a la correlación del movimiento de las diferentes especies difusoras.
Debido a que la difusión química es un proceso de transporte neto, el sistema en el que tiene lugar no es un sistema en equilibrio (es decir, aún no está en reposo). Muchos resultados de la termodinámica clásica no se aplican fácilmente a sistemas que no están en equilibrio. Sin embargo, a veces se producen los llamados estados casi estacionarios, en los que el proceso de difusión no cambia con el tiempo, donde los resultados clásicos pueden aplicarse localmente. Como sugiere el nombre, este proceso no es un verdadero equilibrio ya que el sistema aún está evolucionando.
Los sistemas de fluidos en desequilibrio se pueden modelar con éxito con la hidrodinámica fluctuante de Landau-Lifshitz. En este marco teórico, la difusión se debe a fluctuaciones cuyas dimensiones van desde la escala molecular hasta la escala macroscópica. [3]
La difusión química aumenta la entropía de un sistema, es decir, la difusión es un proceso espontáneo e irreversible. Las partículas pueden extenderse por difusión, pero no se reordenarán espontáneamente (en ausencia de cambios en el sistema, suponiendo que no se creen nuevos enlaces químicos y en ausencia de fuerzas externas que actúen sobre la partícula).
La difusión colectiva es la difusión de una gran cantidad de partículas, con mayor frecuencia dentro de un disolvente .
A diferencia del movimiento browniano , que es la difusión de una sola partícula, es posible que sea necesario considerar las interacciones entre partículas, a menos que las partículas formen una mezcla ideal con su disolvente (las condiciones ideales de mezcla corresponden al caso en el que las interacciones entre el disolvente y las partículas son idénticas a las interacciones entre partículas y a las interacciones entre moléculas de disolvente; en este caso, las partículas no interactúan cuando están dentro del disolvente).
En el caso de una mezcla ideal, la ecuación de difusión de partículas es válida y el coeficiente de difusión D, la velocidad de difusión en la ecuación de difusión de partículas, es independiente de la concentración de partículas. En otros casos, las interacciones resultantes entre partículas dentro del disolvente darán cuenta de los siguientes efectos:
El transporte de material en un fluido estancado o a través de líneas de corriente de un fluido en un flujo laminar se produce por difusión molecular. Se pueden prever dos compartimentos adyacentes separados por un tabique que contengan los gases puros A o B. Se produce un movimiento aleatorio de todas las moléculas, de modo que después de un período las moléculas se encuentran alejadas de sus posiciones originales. Si se elimina la partición, algunas moléculas de A se mueven hacia la región ocupada por B, su número depende del número de moléculas en la región considerada. Al mismo tiempo, las moléculas de B difunden hacia regímenes anteriormente ocupados por A puro. Finalmente, se produce la mezcla completa. Antes de este momento, se produce una variación gradual en la concentración de A a lo largo de un eje, designado x, que une los compartimentos originales. Esta variación, expresada matemáticamente como -dC A /dx, donde C A es la concentración de A. El signo negativo surge porque la concentración de A disminuye a medida que aumenta la distancia x. De manera similar, la variación en la concentración del gas B es -dC B /dx. La velocidad de difusión de A, N A , depende del gradiente de concentración y de la velocidad promedio con la que las moléculas de A se mueven en la dirección x. Esta relación se expresa mediante la ley de Fick.
donde D es la difusividad de A a B, proporcional a la velocidad molecular promedio y, por lo tanto, dependiente de la temperatura y presión de los gases. La velocidad de difusión N A , generalmente se expresa como el número de moles que se difunden a través de una unidad de área en una unidad de tiempo. Al igual que con la ecuación básica de la transferencia de calor, esto indica que la tasa de fuerza es directamente proporcional a la fuerza impulsora, que es el gradiente de concentración.
Esta ecuación básica se aplica a varias situaciones. Restringiendo la discusión exclusivamente a condiciones de estado estacionario, en las que ni dC A /dx ni dC B /dx cambian con el tiempo, se considera primero la contradifusión equimolecular.
Si no ocurre flujo masivo en un elemento de longitud dx, las velocidades de difusión de dos gases ideales (de volumen molar similar) A y B deben ser iguales y opuestas, es decir .
La presión parcial de A cambia en dP A a lo largo de la distancia dx. De manera similar, la presión parcial de B cambia dP B . Como no hay diferencia en la presión total a través del elemento (no hay flujo masivo), tenemos
Para un gas ideal, la presión parcial está relacionada con la concentración molar mediante la relación
donde n A es el número de moles de gas A en un volumen V. Como la concentración molar C A es igual a n A / V, por lo tanto
En consecuencia, para el gas A,
donde D AB es la difusividad de A en B. De manera similar,
Considerando que dP A /dx=-dP B /dx, se demuestra por tanto que D AB =D BA =D. Si la presión parcial de A en x 1 es P A 1 y x 2 es P A 2 , integración de la ecuación anterior,
Se puede derivar una ecuación similar para la contradifusión del gas B.
