フィックの法則(フィックのほうそく、)とは、物質の拡散に関する基本法則である。気体、液体、固体(金属)どの拡散にも適用できる。フィックの法則には、第1法則と第2法則がある。この法則は、1855年にアドルフ・オイゲン・フィックによって発表された。フィックは拡散現象を、熱伝導に関するフーリエ (1822) の理論と同じように考えることができるとしてこの法則を与えた。第1法則は、定常状態拡散、すなわち、拡散による濃度が時間に関して変わらない時に使われる、「拡散流束は濃度勾配に比例する」という法則である。工業的に定常状態拡散は水素ガスの純化に見られる。数式で表すと、あるいは1次元なら、となる。ここで、記号の意味は以下である:1次元で説明する。単位面積の断面を持つ、パイプ状の物体を想定する。そして、パイプ中の溶質には、長さ方向に濃度の差(濃度勾配)があるとする。つまり、濃い部分から薄い部分へと溶質が流れる。この時、単位時間当たりに拡散する溶質、つまり拡散流束を"J" とし、パイプ中の任意の位置"x" での濃度を"c" とする。このとき、フィックの法則より流束"J" が濃度勾配に比例するから、次のようになる。ここで、ならば溶質は"x" の負の方向に拡散する。これを考慮してマイナスの符号を入れて、さらに比例定数"D" を入れると、フィックの第1法則が導き出される。第2法則は、非定常状態拡散、すなわち、拡散における濃度が時間に関して変わる時に使われる。実際の拡散の状態は、非定常状態がほとんどである。拡散係数"D" が定数のとき、濃度"c" の時間変化は次の拡散方程式で表される:これは広義の連続の式と等価である。あるいは1次元なら、記号は第1法則と同様である。第2法則は、第1法則から導く。第1法則で導いたのと同じように、単位面積の断面を持つパイプ状の物体を想定する。"x" と"x" + d"x" にはさまれたd"x" の部分の濃度の時間的変化 ∂"c"/∂"t" を考え、任意の位置"x" での濃度を"c" 、"x" + d"x" での濃度を"c" + d"c" とする。この時、"x" + d"x" の境界を通して注目している領域に流れ込む溶質の量は"J"("x" + d"x")、この領域から"x" の境界を通して流れ出る溶質の量は"J"("x") である。これより、ここで第1法則よりであるから、これらを式(1)に代入してフィックの第2法則が導き出される。上記では拡散係数"D" は等方的な定数であるとしたが、より一般には、方向に依存し、濃度勾配と流束が平行であるとは限らない。この場合、"D" は2階のテンソル量となる。ガス分子などの分子拡散の場合、拡散現象はブラウン運動による説明ができ、拡散係数"D" は次式で与えられる。この式をアインシュタイン・ストークスの式()という。金属などでは、拡散係数"D" の温度依存性は次のように表される。ここで"D" は振動数因子、"Q" は拡散の活性化エネルギーと呼ばれる。"R" は気体定数である。流体力学でよく用いられる無次元数のなかで、物質の拡散に関係するものには以下がある:
出典:wikipedia
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