DIFFUSION (en science PHYSIQUE))

-diffusion (généralités)

 ATTENTION : RESUME des terminologies

 DEFORMATION=modification géométrique--DEPLETION=anomalie d’une distribution dans 1 zone--DIFFUSION(ou SCATTERING)=irrégularités du milieu modifiant trajectoire et énergie des ondes--DIFFRACTION=modif. d’une onde quand elle frappe un trou de dimensions réduites--DISPERSION=incidence du milieu sur les vitesses de l’onde traversante--DISRUPTION=rupture de certaines conditions d’expérience-- DISSIPATION=diminution progressive de l’énergie dans un milieu--DISTORSION= déformation des divers paramètres d’une onde pendant traversée d’un milieu--

 

La diffusion est ici la perturbation du cheminement d'une onde ou d'une particule dans un milieu.

Les causes sont liées aux accidents présentés par ledit milieu (anisotropie, variation de densité, présence de défauts locaux, présence de corps s'offrant aux collisions, rugosité, variation d'élasticité, dispersion.....)

Les conséquences sont une tendance à l'homogénéisation des énergies transportées par les ondes ou particules en cause (transferts de matière ou d'énergie cinétique ou de chaleur) Il y a en outre éparpillement de leurs trajectoires, sous forme de répartition inorientée, multidirectionnelle et dispersive.

Résumé du jargon concernant les questions de diffusion (liste alphabétique)

--l'advection est un transport (matière ou énergie) se mesurant à l’horizontale, qui profite du courant existant dans le milieu (entre autre parce qu'il y flotte)

--l'auto-diffusion est l'expression des changements survenant à une particule, lors d'une diffusion dans laquelle le milieu où elle évolue reste cependant invariable (par ex. une molécule d'air pollué auto-diffuse dans l'air ambiant, bien que le milieu air soit resté similaire à lui-même)

--le coefficient de diffusion est le rapport (adimensionnel) entre la puissance diffusée comparée à la puissance totale échangée (utilisé en acoustique, en thermique, en lumière...) 

--le coefficient de diffusivité est synonyme de constante de diffusion ci-dessous (cas de thermique et de fluidique)

la conduction est un transfert d'énergie (dont chaleur) par proximité entre 2 matériaux:

  Les molécules d'un matériau échangent une partie de leur énergie cinétique par chocs sur les molécules voisines d'un matériau d'une autre nature, ce qui instaure lentementdes déplacementsde matière et de la chaleur.Ce n'est pas de la diffusion, puisque celle-ci implique pour sa part, des anomalies dans la structure d'un matériau et provoque en outre une homogénéité énergétique

--la constante de diffusion est une énergie de diffusion ramenée à la masse en cause et considérée pendant un certain temps (c'est équivalent à une viscosité cinémat. en m²/s)

--la convection est un échange (transfert de matière ou d'énergie --se mesurant en général sur un axe vertical--) qui est autorisé et favorisé par un courant existant dans le milieu (entre autre grâce à sa diminution de densité) 

Ce n'est pas de la diffusion, car la qualité du milieu n'a ici qu'un rôle passif.

--la diffusion proprement dite est l'énergie exprimée pendant toute la durée du phénomène diffusif (car la diffusion survient pendant un déplacement)

--la diffusivité est un coefficient de transport, c'est à dire une diffusion (énergie) pendant toute une durée, mais ramenée à la masse traversée

--la distance de diffusion est la profondeur maximale à laquelle la diffusion peut se propager dans un matériau

--le facteur de diffusion est le pourcentage d’aboutissement des échanges énergétiques de diffusion

--l'intensité de diffusion est un flux de diffusion exprimé dans un angle solide

--la migration est un transfert d'espèces chimiques (Espèce = groupe particulaire ayant mêmes spécificités) Il y a par exemple migration de molécules dans les cas de: vent, décantation, électrophorèse, centrifugation, etc

--la perméation est une diffusion à travers un élément poreux

--la puissance (ou flux) de diffusion est l'énergie dissipée par une diffusion pendant un temps donné

--la rétrodiffusion est le retour d'une onde qui, suite à certaines conditions de diffusion, repart dans la direction d'où elle venait

--le scattering est un synonyme de diffusion des ondes

--la thermodiffusion est une diffusion où ne se manifestent que des perturbations d'ordre thermique

--la vitesse de diffusion est la vitesse avec laquelle se transmet la diffusion

--la viscosité cinématique est une diffusivité pour les fluides (énergie pendant toute une durée, mais ramenée à la masse traversée)

 

La diffusion concerne les divers domaines ci-après :

--ondes acoustiques

--ondes photoniques (dont lumineuses)

--ondes électromagnétiques

--ondes à effets thermiques

--particules élémentaires (électrons...)

--particules composites (fermions, nucléons, atomes, molécules...)

--géologie

--cristallographie

--migration d'espèces chimiques

Une diffusion peut être qualifiée de :

--dynamique, quand les longueurs d'ondes sont modifiées après la diffusion

--élastique, quand l'énergie cinétique des particules diffusées est conservée mais pas leurs directions, pendant la diffusion (exemples >> les diffusions de Mie, de Rayleigh, de Rutherford, de Thomson)

--quasi-élastique, quand l'énergie cinétique de diffusion a été partiellement dissipée

--inélastique, quand l'énergie cinétique des particules diffusées est absorbée par le milieu de diffusion (exemples >> les diffusions de Brillouin, de Mott, de Raman...)

--parfaitement inélastique, quand l'énergie de diffusion a été totalement dissipée (insertion des corps l'un dans l'autre)

--propres aux petits angles, quand les directions des particules ou des fronts d'ondes sont peu modifiées au cours de la diffusion

--propre aux grands angles, quand les directions des particules ou des fronts d'ondes sont très modifiées au cours de la diffusion

 

LA DIFFUSION STRICTO SENSU

est l'énergie échangée (symbole Ed dimension d'une énergie L2.M.T-2

Unité S.I.+ le Joule (J)

Elle concerne l’électromagnétisme, la mécanique des fluides, les particules, la thermodynamique, les ondes de rayonnement (dont la lumière) et même la géologie (dont la constante de diffusion est dite transmissivité du sol)

Une self-diffusion est une diffusion entre les divers éléments d'un même corps

 

LE COEFFICIENT (ou INDICE) de DIFFUSION

est le rapport (adimensionnel) entre 2 puissances d'une onde :

la puissance diffusée comparée à la puissance totale

(le symbole est yen acoustique, yen thermique et ypour la lumière)

 

LA CONSTANTE DE DIFFUSION

est un cas particulier de coefficient de transport = c’est à dire une énergie de diffusion ramenée à la masse en cause mais considérée pendant une certaine durée.

Synonyme : coefficient de diffusivité (en thermique et en fluidique)

Equation de dimensions : L2.T-1       Symbole de grandeur :  νd       

Unité S.I.+ : m²/s

νd = Pd / W‘

avec νd(m²/s)= constante de diffusion d’un corps

Pd(W)= RAYONNEMENT thermique du corps

W’(J/m²)= énergie surfacique correspondante

A l’échelle microscopique νd = (v.l) / 3

où v(m/s)= vitesse moyenne des particules et l(m)= libre parcours moyen

Les valeurs de νd

-pour la self-diffusion dans les gaz = de (1 à 100).10-5 m²/s

-pour la self-diffusion dans les liquides = (1 à 10).10-6 m²/s

-pour la self-diffusion dans les liquides très visqueux = (1 à 100).10-7 m²/s

-pour du NaCl dans l'eau à 25° C = 1,9.10-9 m²/s

-pour du O2 dans l'air à TPN = 1,8.10-5 m²/s

-pour du sucre dans l'eau à 25° C = 5.10-10 m²/s

 

LA DIFFUSIVITÉ

est le nom d'un coefficient de transport (c'est à dire une énergie de diffusion ramenée à la masse traversée mais pendant une durée donnée)

Equation de dimensions : L2.T-3   Symbole de grandeur : p'     Unité S.I.+ : W /kg

Δp' = ΔE / m.t  (la variation de diffusivité est la variation de l’énergie en un temps donné et pour une masse donnée)

Pour la diffusivité thermique, on a tendance à nommer cela (coefficient de diffusivité ou constante de diffusion) voir chapitre spécial

 

 

LA DISTANCE de DIFFUSION

est une notion utilisée pour marquer la profondeur de diffusion dans un matériau (la diffusion présente évidemment une atténuation, ce qui limite sa portée)

l= (νd.t)1/2

avec ld(m)= distance de diffusion (profondeur) jusqu'où agit la diffusion, au temps t(s) dans un matériau de constante de diffusion = νd(m²/s)

 

LE FACTEUR de DIFFUSION  F’d

est une échelle (donc sans dimension) des temps d’échanges d’énergie affectant 2 fluides voisins dans un cas de diffusion >>>

échelle graduée de 0 à 1

Exemples de valeurs : 10-1 entre air et CO²

et 10-5 entre eau salée et eau pure

 

L'INTENSITÉ de DIFFUSION

est un flux de diffusion inclus dans un angle solide

Equation de dimensions : L2.M.T-3.A-1        Symbole de désignation : P’l         

Unité d’usage = W/sr

P’l = Pl / Ω

où P’l(W/sr)= intensité de diffusion

Pl(W)= flux (puissance) diffusé en un angle solide Ω(sr)

 

LA PUISSANCE (ou flux) de DIFFUSION

Symbole Pd , dimension L².M.T -3,  unité S.I.+ : le Watt(W)

ΔP= ΔE / t (la variation de puissance = variation de l’énergie E en un temps donné t)

En thermique, les relations entre diffusion et conduction se font surtout :

- à travers le coefficient de transfert thermique

avec P= κt.T

où Pd(W)= puissance de diffusion pour un corps

κ (W/m²-K)= coefficient de transfert (thermique)

t(s)= temps et T(K)= température

νt(m²/s)= coefficient de diffusivité

-ou à travers la résistance linéique thermique

avec P= c*.l.T

où Pd(W)= puissance de diffusion pour un corps

c*(W/m-K)= résistance linéique thermique

l(m)= distance et T(K)= température

- la self-diffusion (νs) est la diffusion d’un corps envers lui-même

 

LA THERMODIFFUSION

est un échange calorifique entre des corps thermiquement conducteurs

P= f*.g / c’

avec Pd(W)= puissance de thermodiffusion pour un corps

f*(W-m/K)= sa résistivité thermique

c’(J/kg-K)= sa capacité thermique massique

g(m/s²)= pesanteur

 

-cas des solutions liquides: on y utilise le coefficient de Soret αS qui est l'inverse d'une température et qui est  αS κ / p*    ou   αS = Δn/ n.ΔT

où p*(W/m²)= diffusivité

κ  (W/m²-K)= coefficient de transfert (diffusivité isotherme, dont les valeurs vont de 500 à 5000 W/m²-K)

n(nombre)= concentration

T(K)= température absolue

Nota: si la thermodiffusion est provoquée dans une liaison de métaux, elle crée un phénomène thermo-électrique

 

LA VITESSE de DIFFUSION

est la vitesse avec laquelle se transmet la diffusion

Equation de dimensions structurelles : L.T-1       Symbole  v        Unité S.I.+ : m/s

-pour un mélange gazeux, si la diffusion se fait à travers un autre corps (poreux) à T.P.N, sa vitesse de diffusion v est proportionnelle à l’inverse de la racine carrée de la densité relative du corps poreux (loi de Graham).

Ce qui implique que les corps les moins denses laissent passer les gaz + vite

Dans ce type de séparation, la vitesse de diffusion(v) est variable :

selon les corps, elle va de 1 à 2.10-9 m/s

 

D'AUTRES NOTIONS  servent à étudier la diffusion (Voir chapitres spéciaux : coefficient de transport-- coefficient phénoménologique-- diffusivité-- effusivité-- osmose)

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