Чем отличается броуновское движение от диффузии?

Хотя броуновское движение и диффузия тесно связаны и имеют общую физическую природу, они представляют собой разные аспекты поведения микроскопических объектов. Основные определения

• Броуновское движение — это беспорядочное, хаотичное движение микроскопических видимых частиц (например, крупинок пыльцы или сажи), взвешенных в жидкости или газе. Оно вызвано толчками молекул среды, которые находятся в постоянном тепловом движении.
• Диффузия — это процесс самопроизвольного выравнивания концентрации веществ, приводящий к переносу массы из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Ключевые различия Для наглядности основные отличия приведены в таблице:

Физическая взаимосвязь Связь между этими явлениями описывается уравнением Эйнштейна — Смолуховского. Математически это выражается через коэффициент диффузии $D$: $D=\frac{k_{B}T}{6\pi \eta r}$ Где:

• $k_B$ — постоянная Больцмана; $T$ — абсолютная температура; $\eta$ — вязкость среды; $r$ — радиус частицы.

Эта формула показывает, что броуновское движение является механизмом, лежащим в основе диффузии. Без хаотичного движения отдельных частиц макроскопический процесс смешивания был бы невозможен. Подробный разбор механизмов

1. Индивидуальное vs Коллективное: Броуновское движение описывает траекторию «одиночки». Если вы посмотрите в микроскоп на одну частицу сажи, вы увидите, как она мечется из стороны в сторону. Диффузия же описывает поведение огромного количества таких частиц. Даже если каждая частица движется хаотично, в масштабе стакана воды их суммарное движение приводит к равномерному окрашиванию жидкости.
2. Направленность: Броуновское движение не имеет конца и цели; частица будет двигаться вечно, пока существует тепловая энергия. Диффузия имеет четкое направление — от большего к меньшему — и прекращается (как результирующий процесс), когда достигается термодинамическое равновесие.
3. Масштаб: Броуновское движение характерно для частиц размером от ${10}^{-7}$ до ${10}^{-5}$ метров. Если частица слишком мала (молекула), мы говорим о тепловом движении. Если слишком велика, удары молекул с разных сторон компенсируют друг друга, и тело остается неподвижным.

Я могу составить для вас подборку классических задач с решениями на расчет коэффициента диффузии или среднего квадратичного смещения частицы. Могу я подготовить такой список?