擴散及其熱力學解釋
擴散是一種基於分子熱運動的傳輸現象，是分子通過布朗運動從高濃度區域向低濃度區域運送的持續過程。它是一個趨向於熱平衡的弛豫過程，而菲克定律是其近似描述。然而，實際過程是化學勢由高向低轉移。擴散速率通常與混合物濃度梯度密切相關，因此近平衡態熱力學理論常用來處理它。
擴散現象有多種微觀解釋，其中頗具影響力的有分子動理論和隨機行走模型。特別地，水分子的擴散過程被稱為滲透作用。水是生物體中含量最多的物質，參與各種代謝活動。在生物體內，水分子不僅可以直接通過擴散作用進出細胞，還能藉助特殊蛋白質通道在細胞膜內外擴散。
熱力學分析
熱力學第二定律要求熱力學平衡態系統的熱力學函數達到極值。具體來説，由於 (\text{d}S \ge \frac{\text{d}Q}{T})，其中 (\text{d}Q) 並非某個函數的全微分，在絕熱封閉條件下，要求熵達到最大值；在恆温恆壓條件下，要求吉布斯自由能達到最小值；在恆温恆容條件下，要求赫姆霍茲自由能達到最小值。利用這些條件，可以導出熱力學平衡條件：力學平衡、熱學平衡、化學平衡。
昂薩格線性倒易關係
作為一種近平衡態傳輸現象，擴散作用與其他傳輸現象具有統一的熱力學處理方式。其中最為著名且具有高度概括性的原則是昂薩格線性倒易關係。此關係將擴散通量與熱力學廣義力聯繫起來，其中熱力學廣義力與熵密度的梯度成正比。
固體中的擴散
固體中載流子的運動也表現出擴散現象。當固體中電子密度不平衡時，電子從密度高的區域向密度低的區域擴散。例如，當光照射到半導體的中間時，電子會在中間產生並向兩邊擴散，形成擴散電流，也可以用菲克定律描述。
關鍵詞：
- 輸運現象
- 分子熱運動
- 布朗運動
- 化學勢
- 熱力學平衡
- 滲透作用
- 昂薩格線性倒易關係
- 固體擴散
- 電子擴散
擴散作用
擴散作用是一種被動運輸過程，物質從濃度高的區域擴散到濃度低的區域，直到濃度均勻。這種無需能量就能進行的物質移動對生物體至關重要。
擴散機制
擴散的原理基於分子的布朗運動，即物質的顆粒不斷地在溶液中隨機運動。當濃度不均時，顆粒會從濃度高的區域向濃度低的區域移動，直至濃度均衡。擴散速率受以下因素影響：
- 濃度梯度：濃度差越大，擴散速率越快。
- 顆粒大小：小顆粒擴散速率比大顆粒快。
- 温度：温度越高，顆粒運動越快，擴散速率越快。
- 溶劑黏度：黏度越高的溶劑，顆粒移動越困難，擴散速率越慢。
擴散的生物重要性
擴散作用是生物體進行多種基本生理功能不可或缺的，包括：
| 生理功能 | 描述 |
|---|---|
| 氣體交換：肺和鰓等呼吸器官通過擴散作用在外界環境和血液之間交換氧氣和二氧化碳。 | |
| 營養吸收：小腸絨毛上覆蓋的微絨毛通過擴散作用吸收營養物質進入血液。 | |
| 廢物排出：腎臟腎小球通過擴散作用將代謝廢物從血液濾出進入尿液。 | |
| 激素信號傳遞：激素分泌後通過擴散作用作用於靶細胞上的受體。 | |
| 神經傳導：神經衝動的傳導過程中，神經遞質通過擴散作用在突觸間傳遞信號。 |
擴散類型
根據擴散物質的特性和擴散途徑，擴散作用可分為以下類型：