Диффузия

ДИФФУЗИЯ (от латинского diffusio — распространение, растекание, рассеивание * а. diffusion; н. Diffusion; ф. diffusion; и. difusion) — перенос вещества, обусловленный выравниванием его концентрации в первоначально неоднородной системе. Диффузия — одна из стадий многочисленных технологических процессов (адсорбции, сушки, экстрагирования и др.).

Диффузия имеет место в газах, жидкостях и твёрдых телах. Механизм диффузии в этих веществах существенно различен.

Диффузия происходит вследствие теплового движения атомов, молекул (так называемая молекулярная диффузия) или более крупных частиц вещества. Диффундировать могут как частицы посторонних веществ (примесей), неравномерно распределённых в какой-либо среде, так и частицы самого вещества среды. В последнем случае процесс сводится к направленному движению частиц вследствие хаотического теплового движения и называется самодиффузией.

Диффузия может возникать также при наличии градиента температуры в объёме тела (термодиффузия), градиента давления или под действием гравитационного поля (бародиффузия). Воздействие внешнего электрического поля вызывает перенос заряженных частиц (электродиффузию). В движущейся среде может возникать конвективная диффузия, при вихревом движении газа или жидкости — турбулентная диффузия.

Диффузия имеет особое значение в шахтах, где она способствует равномерному распределению вредных газов в атмосфере горных выработок, предупреждению их опасных скоплений. В неподвижном воздухе имеет место собственно молекулярная диффузия (в непроветриваемых выработках и выработанном пространстве, при нарушении вентиляции); в ламинарном воздушном потоке она совмещается с конвективным переносом. Интенсивность молекулярной диффузии в шахтах обычно ниже скорости газовыделения в выработке, что при отсутствии других видов газопереноса (кроме молекулярного) приводит к образованию скоплений газов у мест их выделения. Коэффициент молекулярной диффузии D_m не зависит от направления диффузии (зависит от свойств диффундирующих газов). Для диффузии метана в воздухе D_m=0,196 см²/с, углекислого газа — 0,142 с м²/с.

Перенос вещества при турбулентной (вихревой) диффузии осуществляется в результате хаотического движения вихрей различного размера. Интенсивность этого вида диффузии в шахтах в сотни раз больше молекулярной. Турбулентная диффузия всегда проявляется совместно с молекулярной, а в проветриваемых выработках также и с конвективным переносом. Турбулентная диффузия — основной фактор выравнивания концентрации выделяющегося газа в поперечном сечении выработки. Высокая её интенсивность — необходимое условие создания безопасных аэрологических условий в шахтах; обеспечивается турбулентным режимом движения воздуха в выработках, ограничением минимальной скорости его движения. Интенсивность турбулентной диффузии может снижаться при выделении в выработку активных газов, в результате чего возможно образование слоевых местных скоплений газов у кровли и почвы. Коэффициент турбулентной диффузии зависит от направления диффузии, интенсивности турбулентности, числа Ричардсона. Значения (поперечного) DT от нескольких единиц до 100 см²/с.

Правилами безопасности в негазовых шахтах разрешается проветривание тупиковых выработок длиной до 10 м только за счёт диффузии газов.