Miért lehet a kifújt parfüm illatát a szoba távolabbi részén is érezni egy idő után?

A jelenség, amire a kérdés vonatkozik, a diffúzió, azaz amikor egy gáz vagy folyadék részecskéi természetes hőmozgásuk során ütköznek és keverednek egymással, ezáltal egy adott részecske kellően nagy idő alatt tetszőleges távolságra el tud jutni.

Lényegében ugyanez igaz az illatanyag molekuláira, illetve az ezeket hordozó vivőanyag cseppjeire, vagy akár a Covid-19 terjedésére is - lásd az előző válaszadó által belinkelt cikket a Brown-mozgásról.

#5

"A diffúzió nem csak hömozgás. A diffúzió a különbözö koncentrációk kiegyenlítődése is, pl a cukor oldódása a vízben."

A cukor vízben történő oldódása is hőmozgás. Mi más lenne? Enélkül a cukor nem oldódna bele a vízbe. Abszolút nulla fokon nincs oldódás sem.

A diffúzió alapja a részecskék makroszkopikusan véletlenszerű transzlációs mozgása, amely az ekvipartíciós tétel értelmében a hőmérséklettel egyenesen arányos energiamennyiséget (tehát hőenergiát) hordoz. Ezt egyébként az Einstein-reláció is mutatja, amely szerint a diffúziós együttható az adott anyag egy részecskéje ún. mobilitásának, a Boltzmann-állandónak és a hőmérsékletnek a szorzata. A mobilitás egy olyan mennyiség, amely függ a részecske elektromos töltésétől és tömegétől is, és azt jellemzi, hogy mekkora átlagos sebességgel kezd el vándorolni a közegben egy adott erő hatására.

Ergo a diffúzió hőmozgás. Nulla fokon nincs diffúzió. A diffúziót nem a koncentrációgradiens hajtja, hanem a koncentrációgradiens jelképezi azt a fizikai mennyiséget, amely a diffúzió során megszűnik, és amely matematikailag kapcsolatba hozható a diffúzóval - ezért olybá tűnik, mintha tényleg egy fizikai erő lenne. De nem az. Erő az az esetleg meglévő elektromos potenciál, amely ionok között hat (ha épp vannak ilyenek), és elősegíti a részecskék keveredését és ezáltal a diffúziót is azáltal, hogy ténylegesen tömeggel rendelkező testekre hat, amelyekre így értelmezhető Newton II. törvénye.

Érdemes egy gondolatkísérletet elvégezni. Egy teljesen homogén eloszlású gázt tartalmazó tartályban gondolatban megjelölök pár molekulát egy kis térrészben. Ez a kis csoport megjelölt molekula is a diffúzió során szét fog terjedni az egész tartályban, de természetesen nem attól, mert bármiféle erő hatna rájuk pusztán az én gondolatban elkövetett megjelölésem miatt, hanem mert a hőmozgás révén keverednek a többi részecskével. A dolog matematikája egy olyan egyenletet követ, amelyben a megjelölt részecskék koncentrációgradiense látszólag a hajtóerő - de fizikai értelemben nyilvánvalóan nem az. Ez pusztán egy matematikai összefüggés a koncentrációgradiens és a koncentráció hely- és időfüggése között, és ez pl. a kémiai potenciál fogalmának is az eredete. Mind a koncentráció, mind a kémiai potenciál egy makroszkopikus fogalom, de a diffúzió igazi magyarázatát a hőmozgás adja.

Értem és köszönöm, ezt így még nem hallottam, eddig abban a tudatban voltam, hogy az anyagbeli különbségekböl következö töltés-, méret-, térbeli szerkezetkülönbségekböl adódik ez a folyamat.

A fizikán belül annyira nem vagyok képben, hogy a különbözö erök hogyan vannak felosztva és rendszerezve.

Hát a töltés- és szerkezetbeli különbségekből is adódik/adódhat, amennyiben ezek miatt a közegen belül elektromos tér jön létre, amely egy igyekszik a közegen belüli töltéseloszlás inhomogenitásait megszüntetni. Az ebből eredő diffúzió valóban egy erőhatás következménye, hiszen töltött részecskékre elektromos erő hat, amelyek ennek hatására igyekeznek a töltésszétválást csökkenteni.

De pusztán semleges részecskék térbeli eloszlásának inhomogenitása önmagában nem bír hajtóerővel (lásd az előző hozzászólásomban leírt gondolatkísérletet), csupán a konvekciós-diffúziós egyenlet diffúziós részében definiálható diffúziós áramot adja, amely matematikailag azonos alakban járul hozzá a koncentráció időbeli változásához, mint a konvektív áram, amely viszont valóban a szó szoros értelmében egy adott irányú dinamikai hatás. Ezért van olyan képünk a koncentrációgradiensről, hogy ez "hajtja" a diffúziót.

Valójában azonban már egy egyszerű Markov-modellből, amely részecskéknek egy térrácsban való véletlenszerű vándorlását írja le, levezethető a diffúziós egyenlet. Ez a levezetés pedig egyben arra is rávilágít, hogy ennek a mikroszkopikus folyamatnak makroszkopikus szinten milyen matematikai leírás felel meg, vagyis az alapul szolgáló fizikai jelenségből (bizonyos ésszerű feltételeket elfogadva) vezeti le a dolog matematikáját.

Tehát a diffúzió nem más, mint a részecskék véletlenszerű mozgásából adódó térbeli és időbeli koncentrációváltozás.