חוקי הדיפוזיה של פיק
איור א: מולקולה בודדת נעה אופן אקראי.
איור ב: כשמספר המולקולות גדול, קיימת מגמה ברורה – הממס מתפזר במכל באופן אחיד ככל שעובר הזמן.
איור ג: כשמספר המולקולות המומסות רב, האקראיות נעלמת, והמומס עובר באופן רציף וסדיר מאזור הריכוז הגבוה לאזור בו ריכוז נמוך על פי חוקי פיק
"חוקי הדיפוזיה של פיק" או "חוקי הפעפוע של פיק" הם שני חוקים המתארים את תופעת הפעפוע (דיפוזיה בלעז), ונתקבלו לראשונה על ידי הרופא ופיזיולוג הגרמניה אדולף פיק ב־1855.
ניתן להשתמש בהם לקביעת מקדם הדיפוזיה של חומר ().
שני חוקים המתארים את תנועתו של חומר המיוחסת למנגנון הדיפוזיה. עבודתו של פיק הושפעה מהניסויים שביצע הכימאי תומאס גרהאם. הניסויים שביצע פיק עסקו במדידת ריכוזים ושטפים של מלח, המפעפע בין שני מאגרים דרך צינורות מים. עבודתו של פיק התרכזה בדיפוזיה בנוזלים, משום שבאותה תקופה דיפוזיה של מוצקים לא נחשבה לאפשרית[1]. כיום, חוקיו של פיק נמצאים בלב ההבנה של תופעת הדיפוזיה במוצקים, בנוזלים ובגזים גם יחד.
החוק הראשון של פיק
חוק זה קובע כי הקשר בין השטף של חומר מסוים לריכוז שלו הוא קשר של נגזרת - השטף עומד ביחס ישר לגרדיאנט (נגזרת מרחבית) של הריכוז. במערכת בעלת מימד אחד נקבל:
הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle J = - D \frac{\partial \phi}{\partial x}}
כאשר הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ J} הוא השטף הדיפוזיוני של כמות החומר, הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ D} הוא קבוע הדיפוזיה, הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ \phi} הוא ריכוז החומר כתלות במקום, ו-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ x} הוא המיקום.
במערכות בהן ריכוז החומר משתנה במספר ממדים, יש צורך להשתמש בפונקציות הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ \nabla} אשר מכלילה את הנגזרת הראשונה ולקבל: הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle J=\ -D\nabla \phi } , כאשר הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ \nabla \phi} הוא הגרדיאנט של הריכוז.
קבוע הדיפוזיה הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ D} מתכונתי למהירות החלקיקים הדיפוזיוניים. מהירות החלקיקים תלויה בטמפרטורה, בצמיגות הנוזל ובגודל החלקיקים (על פי משוואת איינשטיין-סטוקס). בתמיסות מהולות, קבוע-הדיפוזיה של מרבית היונים דומה ונע בטמפרטורת החדר בתחום שבין 0.6x10-9 ובין 2x10-9 m2/s. עבור מולקולות ביולוגיות דוגמת חלבונים קבוע הדיפוזיה נע בין 10-11 ובין 10-10 m2/s.
הכוח המניע של הדיפוזיה במערכת דיפוזיה חד-ממדית מבוטא על ידי: הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle - \frac{\partial \phi}{\partial x}}
בתמיסה אידאלית ביטוי זה מבטא את מפל הריכוזים. בתמיסות שאינן אידאליות או בתערובות, הכוח המניע לדיפוזיה של כל צורון הוא מפל הריכוזים של אותו צורון. במקרה כזה חוק הראשון של פיק (במימד אחד יכול להיכתב כ:הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle J_i = - \frac{D c_i}{RT} \frac{\partial \mu}{\partial x_i}} .
כאן האינדקס i מסמל את הצורון המסוים, c הוא הריכוז, R הוא קבוע הגזים, T היא הטמפרטורה ו-μ הוא הפוטנציאל הכימי.
החוק השני של פיק
החוק השני של פיק מתאר מערכות שבהן ריכוז של חומר משתנה בזמן. ניסוחו:
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{\partial \phi}{\partial t} = D\,\frac{\partial^2 \phi}{\partial x^2}\,\!}
כאשר הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ \phi} הוא ריכוז החומר, הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ t} הוא הזמן, הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ D} הוא קבוע הדיפוזיה ו-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ x} הוא המיקום. ניתן לגזור את החוק השני של פיק מתוך החוק הראשון תוך שימוש במשוואת רציפות:
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{\partial \phi}{\partial t} =-\,\frac{\partial}{\partial x}\,J = \frac{\partial}{\partial x}\bigg(\,D\,\frac{\partial}{\partial x}\phi\,\bigg)\,\!}
בהנחה שקבוע הדיפוזיה D אינו משתנה במרחב, ניתן לקבל את ניסוחו של חוק פיק השני, כפי שמופיע בראשית הפסקה.
במקרה הכללי בו הדיפוזיה איננה חד-ממדית אלא בעלת שני ממדים או יותר, החוק ינוסח בעזרת אופרטור הלפלסיאן:
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{\partial \phi}{\partial t} = \nabla \cdot (\,D\,\nabla\,\phi\,)\,\!}
כאשר קבוע הדיפוזיה קבוע במרחב, המשוואה הדיפרנציאלית תצטמצם לצורה הפשוטה יותר: הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{\partial \phi}{\partial t} = D\,\nabla^2\,\phi\,\!} .
דוגמה חשובה היא המקרה שבו הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ \phi} נמצא בשיווי משקל. במקרה כזה הריכוז איננו משתנה עם הזמן ולכן כל האגף השמאלי במשוואה שווה לאפס. במערכת המתוארת כבעלת ממד אחד כאשר קבוע הדיפוזיה הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \, D} הוא קבוע, הפתרון לריכוז הוא לינארי (תלות לינארית של הריכוז במיקום). בשני ממדים או יותר מתקבלת משוואת לפלס: הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \nabla^2\,\phi =0\!} , שהפונקציות המקיימות אותה נקראות פונקציות הרמוניות.
דוגמה לפתרון במימד אחד
נדגים את המקרה של דיפוזיה משתנה בזמן במימד אחד (ציר x, בלי הגבלת הכלליות), של חומר שריכוזו נתון על ידי הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ n(x,t)} ממשטח גבול הממוקם ב-הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ x=0} , כאשר הריכוז על הגבול מוחזק בגודל קבוע הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ n(0)} (חומר חצי-אינסופי). הפתרון למקרה זה הוא:
- הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle n \left(x,t \right)=n(0)} הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \mathrm{erfc} \left(\begin{matrix}\frac{x}{2\sqrt{Dt}}\end{matrix}\right)}
erfc היא פונקציית השגיאה המשלימה. הגודל הפענוח נכשל (SVG (אפשר להפעיל MathML בעזרת הרחבת דפדפן): תשובה בלתי־תקינה ("Math extension cannot connect to Restbase.") מהשרת "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \ 2 \sqrt{Dt}} נקרא אורך הדיפוזיה, והוא גודל אופייני הקשור לעומק שאליו פעפע החומר בזמן t.
ראו גם
קישורים חיצוניים
הערות שוליים
- ↑ Jean Philibert, One and a Half Century of Diffusion: Fick, Einstein, before and beyond, Diffusion Fundamentals 2, 2005 1.1-1.10.
חוקי_הדיפוזיה_של_פיק20824967Q856634