DIFFUSION (en science PHYSIQUE))

-diffusion (généralités)

La diffusion est 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 affectées (transferts de matière ou d'énergie cinétique ou de chaleur)

Il y a en outre éparpillement des trajectoires, sous forme de répartition inorientée, multidirectionnelle et dispersive.

Résumé du jargon  concernant les questions de diffusion

--la diffusion proprement dite est l'énergie manifestée pendant toute la durée d'expression d'une diffusion

--l'auto-diffusion est la diffusion d'une particule parmi sa même famille particulaire (par ex. un atome auto-diffuse dans le groupe d'atomes auquel il appartient)

--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...)

--la constante de diffusion est une énergie de diffusion ramenée à la masse en cause et considérée pendant un certain temps (c'est l'équivalent d'une viscosité cin.)

--la distance de diffusion est la profondeur maximale où 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 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

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

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

--la diffusivité est un coefficient de transport, c'est à dire une énergie de diffusion ramenée à la masse traversée et pendant un temps donné

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

--le scattering est une diffusion des ondes

--la convection est un transfert d’énergie (cinétique puis thermique) entre petits éléments matériels (molécules) appartenant à un même milieu

--la viscosité cinématique est une diffusivité pour les fluides

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

--la migration est un transfert d'espèces chimiques (Espèce = groupe particulaire ayant mêmes spécificités) c'est le cas des (vent, décantation, électrophorèse, centrifugation, etc)

 

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 cin. 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)

--propre  aux petits angles, quand les trajectoires 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 Edimension 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 et considérée pendant un certain temps. Synonyme : coefficient de diffusivité (en thermique et en fluidique)

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

Unité S.I.+ : m²/s

ν= P/ 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 ν= (v.l) / 3

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

Les valeurs de νpour la self-diffusion vont de (1 à 100).10-5 m²/s pour les gaz, puis (1 à 10).10-6 m²/s pour les liquides et (1 à 100).10-7 m²/s pour les solides

 

LA DIFFUSIVITÉ

est le nom d'un coefficient de transport (c'est à dire une énergie de diffusion ramenée à la masse traversée et pendant un temps donné)

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’= P/ 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 est la 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= κ’.νt.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 conducteurs thermiques

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   α= Δnn.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 chapitre spécial pour chaque notion : coefficient de transport-- coefficient phénoménologique-- diffusivité-- effusivité-- osmose)

   Copyright Formules-physique ©