粒子擴散，通常簡稱為擴散，是所有（液體或氣體）粒子在xxx零以上溫度下的熱運動。 這種運動的速率是溫度、流體粘度和顆粒大小（質量）的函數。 擴散解釋了分子從較高濃度區域到較低濃度區域的凈通量。 一旦濃度相等，分子繼續移動，但由于沒有濃度梯度，分子擴散過程停止，取而代之的是自擴散過程，源于分子的隨機運動。 擴散的結果是材料逐漸混合，使得分子分布均勻。 由于分子仍在運動，但已經建立了平衡，所以分子擴散的結果稱為動態平衡。 在溫度均勻的相中，沒有外部凈力作用在顆粒上，擴散過程最終會導致完全混合。

考慮兩個系統； S1 和 S2 處于相同溫度并且能夠交換粒子。 如果系統的勢能發生變化； 例如μ1>μ2（μ是化學勢）能量會從S1流向S2，因為自然界總是喜歡低能量和xxx熵。

分子擴散通常使用菲克擴散定律在數學上進行描述。

擴散在物理學、化學和生物學的許多學科中都具有根本的重要性。 擴散的一些示例應用：

• 燒結生產固體材料（粉末冶金、陶瓷生產）
• 化學反應器設計
• 化工催化劑設計
• 可以對鋼進行擴散（例如，加入碳或氮）以改變其性能
• 半導體生產過程中的摻雜。

擴散是傳輸現象的一部分。 在質量傳遞機制中，分子擴散被認為是較慢的一種。

在細胞生物學中，擴散是必需物質（例如細胞內的氨基酸）的主要運輸形式。 溶劑（例如水）通過半透膜的擴散被歸類為滲透。

除了體積或活性過程之外，新陳代謝和呼吸作用部分依賴于擴散。 例如，在哺乳動物的肺泡中，由于肺泡-毛細血管膜的分壓不同，氧氣擴散到血液中而二氧化碳擴散出去。 肺有很大的表面積以促進這種氣體交換過程。

從根本上說，擴散有兩種類型：

• 示蹤劑擴散和自擴散，這是在沒有濃度（或化學勢）梯度的情況下發生的分子自發混合。 可以使用同位素示蹤劑跟蹤這種類型的擴散，因此得名。 通常假設示蹤劑擴散與自擴散相同（假設沒有顯著的同位素效應）。 這種擴散可以在平衡狀態下發生。 脈沖場梯度 (PFG) NMR 是一種用于測量自擴散系數的出色方法，其中不需要同位素示蹤劑。 在所謂的 NMR 自旋回波實驗中，該技術使用核自旋進動階段，允許區分化學和物理上完全相同的物種，例如 在液相中，例如液態水中的水分子。 水的自擴散系數已通過實驗以高精度確定，因此通常用作其他液體測量的參考值。 純水的自擴散系數在 25 °C 時為 2.299·10?9 m2·s?1，在 4 °C 時為 1.261·10?9 m2·s?1。
• 化學擴散在存在濃度（或化學勢）梯度的情況下發生，并導致質量的凈傳輸。 這是擴散方程所描述的過程。 這種擴散始終是一個非平衡過程，增加了系統的熵，使系統更接近平衡。

這兩種擴散的擴散系數通常不同，因為化學擴散的擴散系數是二元的，它包括由于不同擴散物質運動的相關性而產生的影響。

因為化學擴散是一個凈傳輸過程，它發生的系統不是平衡系統（即它還沒有靜止）。 經典熱力學的許多結果并不容易應用于非平衡系統。 然而，有時會出現所謂的準穩態，其中擴散過程不會隨時間變化，經典結果可能在局部應用。 顧名思義，這個過程不是真正的平衡，因為系統仍在發展。