Física/El estado gaseoso/Difusión

Proceso físico

Dibujo esquemático de los efectos de la difusión a través de una membrana.

La difusión es un proceso físico irreversible, en el que partículas materiales se introducen en un medio que inicialmente estaba ausente de ellas aumentando la entropía del sistema conjunto formado por las partículas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o disolvente.

Normalmente los procesos de difusión están sujetos a la Ley de Fick. La membrana permeable puede haber paso de partículas y disolvente, siempre también a favor del gradiente de concentración. La difusión, proceso que no requiere aporte energético es frecuente como forma de intercambio celular.

Ley de Fick

La ley de Fick es una ley cuantitativa en forma de ecuación diferencial que describe diversos casos de difusión de materia o energía en un medio en el que inicialmente no existe equilibrio químico o térmico. Recibe su nombre Adolf Fick, que las derivó en 1855.

En situaciones en las que existen gradientes de concentración de una sustancia, o de temperatura, se produce un flujo de partículas o de calor que tiende a homogeneizar la disolución y uniformizar la concentración o la temperatura. El flujo homogeneizador es una consecuencia estadística del movimiento azaroso de las partículas que da lugar al segundo principio de la termodinámica, conocido también como movimiento térmico casual de las partículas. Así los procesos físicos de difusión pueden ser vistos como procesos físicos o termodinámicos irreversibles.

Este flujo irá en el sentido opuesto de la gradiente y, si éste es débil, podrá aproximarse por el primer término de la serie de Taylor, resultando la ley de Fick

${\vec {J}}=-D\nabla c$

siendo $D$ el coeficiente de difusión de la especie de concentración $c$. En el caso particular del calor, la ley de Fick se conoce como ley de Fourier y se escribe como

${\vec {q}}=-k\nabla T$

siendo $k\,$ la conductividad térmica.

Combinando la ley de Fick con la ley de conservación para la especie c

${\frac {\partial c}{\partial t}}+\nabla \cdot {\vec {J}}=0$

resulta la ecuación de difusión o segunda ley de Fick:

${\frac {\partial c}{\partial t}}-D\nabla ^{2}c={\frac {\partial c}{\partial t}}-D\left({\frac {\partial ^{2}c}{\partial x}}+{\frac {\partial ^{2}c}{\partial y}}+{\frac {\partial ^{2}c}{\partial z}}\right)=0$

Si existe producción o destrucción de la especie (por una reacción química), a esta ecuación debe añadirse un término de fuente en el segundo miembro.