菲克第一定律

早在1855年，菲克就提出了：在單位時間內通過垂直於擴散方向的單位截面積的擴散物質流量（稱為擴散通量Diffusion flux，用J表示）與該截面處的濃度梯度(Concentration gradient)成正比，也就是說，濃度梯度越大，擴散通量越大。這就是菲克第一定律，它的數學表達式如下：

J=-D×dC/dx（1）

式（1）中,D稱為擴散係數(m/s)，C為擴散物質（組元）的體積濃度(原子數/m或kg/m)，dC/dx為濃度梯度，“–”號表示擴散方向為濃度梯度的反方向，即擴散組元由高濃度區向低濃度區擴散。擴散通量J的單位是kg/m·s。

擴散係數

擴散係數(Diffusion coefficient)D是描述擴散速度的重要物理量，它相當於濃度梯度為1時的擴散通量，D值越大則擴散越快。對於固態金屬中的擴散，D值都是很小的，例如，1000℃時碳在γ-Fe中的擴散係數D僅為10m/s數量級。

菲克第一定律只適應於和J不隨時間變化——穩態擴散(Steady-state diffusion)的場合。對於穩態擴散也可以描述為：在擴散過程中，各處的擴散組元的濃度C只隨距離x變化，而不隨時間t變化。這樣，擴散通量J對於各處都一樣，即擴散通量J不隨距離x變化，每一時刻從前邊擴散來多少原子，就向後邊擴散走多少原子，沒有盈虧，所以濃度不隨時間變化。實際上，大多數擴散過程都是在非穩態條件下進行的。非穩態擴散(Nonsteady-state diffusion)的特點是：在擴散過程中，和J都隨時間變化。通過各處的擴散通量J隨著距離x在變化，而穩態擴散的擴散通量則處處相等，不隨距離而發生變化。對於非穩態擴散，就要應用菲克第二定律了。