Скорость диффузии

Диффузия относится к наиболее простым явлениям, которые изучаются в рамках курса физики. Этот процесс можно представить на бытовом ежедневном уровне.

Диффузия представляет собой физический процесс взаимного проникновения атомов и молекул одного вещества между такими же структурными элементами другого вещества. Итогом этого процесса становится выравнивание уровня концентрации в проникающих соединениях. Диффузию или смешивание можно видеть каждое утро на собственной кухне, когда происходит приготовление чая, кофе или иных напитков, в состав которых входит несколько основных компонентов.

Подобный процесс первый раз смог научно описать Адольф Фик в середине 19 века. Он дал ему оригинальное название, которое переводится с латинского языка как взаимодействие или распространение.

Скорость диффузии зависит от нескольких факторов:

  • температуры тела;
  • агрегатного состояния исследуемого вещества.

В различных газах, где существуют очень большие расстояние между молекулами, скорость диффузии будет самой большой. В жидкостях, где расстояние между молекулами заметно меньше, скорость также уменьшает свои показатели. Самая маленькая скорость диффузии отмечается в твердых телах, поскольку в молекулярных связях наблюдается строгий порядок. Атомы и молекулы сами совершают незначительные колебательные движения на одном месте. Скорость протекания диффузии увеличивается при росте окружающей температуры.

Закон Фика

Замечание 1

Скорость диффузии принято измерять количеством вещества, которое переносится за единицу времени. Все взаимодействия должны осуществляться через площадь поперечного сечения раствора.

Основной формулой скорости диффузии является:

$\frac{dm}{dt}=-DC\frac{dC}{dx}$, где:

  • $D$ - это коэффициент пропорциональности,
  • $S$ - площадь поверхности, а знак «-» обозначает, что диффузия идет из области большей концентрации в меньшую.

Такую формулу представил в виде математического описания Фик.

Согласно ей, скорость диффузии прямо пропорциональна градиенту концентрации и площади, через которую осуществляется процесс диффузии. Коэффициент пропорциональности определяет диффузию вещества.

Известный физик Альберт Эйнштейн вывел уравнения для коэффициента диффузии:

$D=RT/NA \cdot 1/6\pi\etaŋr$, где:

  • $R$- это универсальная газовая постоянная,
  • $T$- абсолютная температура,
  • $r$- радиус диффундирующих частиц,
  • $D$- коэффициент диффузии,
  • $ŋ$- вязкость среды.

Из этих уравнений следует, что скорость диффузии будет возрастать:

  • при повышении температуры;
  • при повышении градиента концентрации.

Скорость диффузии уменьшается:

  • при увеличении вязкости растворителя;
  • при увеличении размера диффундирующих частиц.

Если молярная масса увеличивается, тогда коэффициент диффузии уменьшается. В этом случае скорость диффузии также уменьшается.

Ускорение диффузии

Существуют различные условия, которые способствуют ускорению протекания диффузии. Быстрота диффузии зависит от агрегатного состояния исследуемого вещества. Большая плотность материала замедляет химическую реакцию. На скорость взаимодействия молекул влияет температурный режим. Количественной характеристикой скорости диффузии является коэффициент. В системе измерений СИ его обозначают в виде латинской большой буквы D. Он измеряется в квадратных сантиметрах или метрах на секунду времени.

Определение 1

Коэффициент диффузии равняется количеству вещества, которое распределяется среди другого вещества через определенную единицу поверхности. Взаимодействие должно осуществляться на протяжении единицы времени. Для эффектного решения задачи необходимо добиться условия, когда разность плотностей на обеих поверхностях будет равна единице.

Также на скорость диффузии в твердых телах, жидкости в газах влияет давление и излучение. Излучение может быть разных видов, в том числе индукционное, а также высокочастотное. Диффузия начинается при воздействии определенного вещества-катализатора. Они часто выступают в роли пускового механизма для возникновения стабильного процесса рассеивания частиц.

При помощи уравнения Аррениуса описывают зависимость коэффициента от температуры. Оно выглядит следующим образом:

$D = D0exp(-E/TR)$, где:

  • $Т$ – абсолютная температура, которая измеряется в Кельвинах,
  • $E$ – минимально необходимая для диффузии энергия.

Формула позволяет больше понять о характерных чертах всего процесса диффузии и определяет скорость реакции.

Специальные методы диффузии

Сегодня практически нельзя применить обычные методы для определения молекулярного веса белков. Они обычно основаны на измерении:

  • упругости пара;
  • повышения температуры кипения;
  • понижения температуры замерзания растворов.

Для эффективного решения задачи применяются специальные методы, которые разработаны для исследования веществ с высокой молекулярной структурой. Они предполагают определение скорости диффузии или вязкости растворов.

Метод определения ориентации и формы пор по скорости диффузии основан на исследовании скоростей диализа. В мембране должна происходить в этот момент свободная диффузия.

Также для определения скорости диффузии натрия могут применяться различные радиоизотопы. Такой специальный метод применяется для решения поставленных задач в сфере минералогии и геологии.

Активно применяется метод диффузии, который основан на определении диффузии макромолекул в растворе. Он был разработан для полимерных материалов. Согласно методу, идет определение коэффициента диффузии, а затем по этим данным узнают среднемассовую молекулярную массу.

В настоящее время отсутствуют прямые методы определения скорости диффузии водорода в катализаторе. Для этого используется так называемый второй путь активации.

Для определения скорости принято использовать специальные приборы. Они отличаются по виду от поставленных практических и научных задач.

V Межрегиональные Мартыновские чтения

Направление- исследовательская работа

«В мире физико- математических наук»

ТАИНСТВЕННАЯ ДИФФУЗИЯ

Агеева Ульяна

Ученица 2 «А»

МБОУ-СОШ №1

р.п.Степное

Советского района

Саратовской области

Руководитель:

Агеева Вероника Геннадиевна

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы :

ü Рассмотреть явление диффузии

Задачи:

ü доказать, что диффузия зависит от температуры;

ü рассмотреть примеры диффузии в домашних опытах;

ü убедиться, что диффузия в разных веществах происходит по- разному.

Актуальность: ; диффузия имеет большое значение в жизни человека, животных и растений, а также в технике

Я очень люблю купаться с гелем для душа. А ещё я люблю задавать вопросы. И однажды я задумалась:

ü Почему гель в воде растворяется?

ü Почему запах геля не исчезает даже после купания?

Я задала эти вопросы своему тьютору Валерии, а она произнесла таинственное слово: «ДИФФУЗИЯ» Я тут же принялась искать ответ на новый вопрос: что же это такое? За ответом мы обратились за помощью к учителю физики (не зря же мы в этом году на занятиях кружка стали с физикой знакомиться). Вот что мы с Валерией услышали.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

ЯВЛЕНИЕ ДИФФУЗИИ- ТЕОРИЯ .

Диффузия - это самопроизвольное перемешивание соприкасающихся веществ, происходящее вследствие хаотического (беспорядочного)движения молекул.



Ещё одно определение: диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание) - процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной).

Диффузия происходит в жидкостях, твердых телах и газах. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твердого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896г. началось изучение проблемы.

Английский металлург Вильям Робертс –Аустин в простом эксперименте измерил диффузию золота в свинце. Он наплавил тонкий диск золота на конец цилиндра из чистого свинца длиной в 1 дюйм (2,45 см), поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 200 0 С, и держал его в печи 10 дней. Оказалось, что к«чистому концу» через весь цилиндр прошло вполне измеримое количество золота. Это еще раз доказывает. что скорость диффузии очень быстро возрастает с повышением температуры. Например, цинк диффундирует в медь при 300 0 С почти в 100 миллионов раз быстрее, чем при комнатной температуре.

Диффузия молекул протекает очень медленно. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным.

ЯВЛЕНИЕ ДИФФУЗИИ- ПРАКТИКА .

Физическое объяснение мы нашли. Я поняла, что диффузия прослеживается во многих домашних процессах:

а)засолка овощей;

б)получение сахара;

в)варка варенья;

г) окрашивание тканей;

д)стирка вещей и т.д.

И тут же, как обычно, решила познакомиться с тайной поближе. Ведь каждый ребёнок знает: чтобы понять, надо «потрогать». Могу ли я «потрогать» диффузию?

Чтобы попытаться найти ответы на мои вопросы, приступила к этапу второму. От теории я перешла к практике, то есть к опытам.

Купаюсь я в тёплой воде. Гель для душа растворяется в ней довольно быстро. Интересно:

Зависит ли диффузия от температуры?

Опыт –диффузия в жидкости

Была исследована скорость растворения кофе и сахара в воде различной температуры

При проведении опыта были использованы два стакана- с холодной и горячей водой. При заваривании было выяснено, что в стакане с горячей водой процесс растворения происходил быстрее.

Опыт с растворением окрашенных конфет

Вместе мы провели следующий опыт. В ёмкость с холодной водой были помещены 4 конфеты различной окраски. Мы засекли время. Только через 7 минут жидкость начала окрашиваться

Вывод : явление диффузии зависит от температуры, при высокой температуре оно проявляется быстрее.

Опыт - диффузия в газах.

С диффузионными процессами в жидкостях я разобралась. А как насчёт запахов, то есть газов?

Когда я на кухне режу лук, готовлю ужин, варю обед или готовлю маринад для заливки овощей (я очень люблю готовить!), ароматы из кухни распространяются по всей квартире. Это тоже благодаря диффузии

газов- запахов.

Запахи? Я люблю запахи!

Опыт с газами, находящимися под давлением

Я исследовала зависимость скорости распространения аромата в комнате от температуры:

из одной комнаты в другую аромат освежителя воздуха распространился за 20,53 сек;

затем я разбрызгала освежитель около настольной лампы, время - 14,03 сек.

Вывод : Скорость диффузии повышается с температурой, так как при нагревании увеличивается скорость движения молекул.

А ещё именно запах привлекает насекомых- так они помогают опылению растений. (Я люблю запахи растений. Может, я насекомое? Надо подумать на досуге)

Опыты с марганцем (проникновение в зависимости от плотности)

Были использованы яблоки разных сортов:«Грей»(2), «Антоновка»(1), «Джонатан»(3).

У яблок сорта «Антоновка»(1) проникновение марганца было медленнее. Этот сорт яблок – зимний, возможно он менее сочный, а их структура более плотная.

Для проведения следующего опыта использованы следующие овощи: репа, морковь, кабачок, картофель.

Через три часа было обнаружено, что проникновение марганца в кабачке, картофеле было больше, чем в репе и моркови. Репа и морковь имеют структуру более плотную, и глубина проникновения частиц марганца была меньше.

Вывод: Скорость диффузии зависит от плотности соприкасающихся материалов.

— Учёные заметили закон,
Что если рядом близко два металла,
То через время, с каждой из сторон,
Молекулы пойдут друг к другу. И немало...
А если компоненты послабей,
Молекулы идут ещё смелей...

Именно поэтому нам так легко работать с пластилином.

ДИФФУЗИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ

Горючий газ-пропан, которым мы пользуемся дома для приготовления пищи, не имеет цвета. Поэтому трудно было бы сразу заметить утечку газа. А при утечке, засчёт диффузии, газ распространяется по всему помещению, и мы ощущаем его распространение по запаху. Между тем, при определённом соотношении газа с воздухом в закрытом помещении образуется смесь, которая может взорваться. Например, от зажжённой спички. Газ может вызвать и отравление людей.

Внимание, будьте осторожны, и непременно запомните номер газовой службы 04!

Когда лучи солнца попадают в комнату, можно наблюдать своеобразный «танец пылинок».

По этому поводу Лукреций Кар писал:

Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает

В наши жилища, и мрак прорезает своими лучами,

Множество тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,

Мечутся взад и вперёд в лучистом сиянии света.

Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах,

В схватки бросаются вдруг по отрядам, не зная покоя …

В комнатных пылинках, благодаря диффузии, содержатся частички плесени, молекулы тяжёлых металлов, которые содержатся в мебели, отделочных материалах и других квартирных «благах цивилизации».

С лёгкостью справляются с токсическими веществами, растворенными в воздухе комнат, комнатные цветы: нефролепис, диффенбахия, молочай, плющ, пеларгония, сансевьера и т. д. И всё это происходит благодаря диффузии.

Всем известный столетник (алоэ) способен снизить количество вредных микробов в 4 раза, а кактус- опунция в 6-7 раз уменьшает численность плесневых грибов в воздухе.

Табачный дым, покрытия из линолеума приносят вред нашему здоровью. Комнатные растения (фикус Бенджамина, традесканция, хлорофитум) могут поглощать и разлагать токсические вещества.

ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ДИФФУЗИЯ.

Явление диффузии можно проследить не только в учебниках. Так ка я учусь пока во 2 классе, эта сторона вопроса меня тоже заинтересовала. Мы с Валерией нашли несколько интересных сайтов, на которых раскрывались вопросы физики для малышей. Они помогли нам рассказать моим одноклассникам о диффузии.

Задача Григория Остера

Четырехлетняя Маша подкралась у мамы за спиной к зеркалу и, действуя совершенно бесшумно, вылила себе на голову три флакона французских духов.

КАК МАМА, СИДЯ К МАШЕ СПИНОЙ, ДОГАДАЛАСЬ С СЛУЧИВШЕМСЯ?

Коля и Витя

Встретились однажды два друга-ученика 2 «А» - Коля и Витя. Давно они не виделись.

А я уже физику знаю, - хвалится Коля.

И я тоже знаю, - говорит Витя. И стали они друг перед другом своими знаниями хвастаться. Коля:

Я знаю, что мельчайшая частица вещества- это молекула ".

Подумаешь! Зато я знаю, что все молекулы состоят из атомов .

А ты знаешь, что молекулы можно увидеть в микроскоп ?

А вот ты, Коля, знаешь, что чем меньше скорость движения молекул, тем выше температура данного тел а?

Ещё бы не знать! Это каждому известно! А ты слышал, что вещества могут находиться в трех состояниях: жидком, твердом и газообразном ?
Витя:

Конечно, слышал! Я даже знаю их свойства. Жидкости сохраняют форму, но меняют объём, а твердые тела не сохраняют ни формы, ни объёма. Газы меняют форму и объём ".
Коля:

Ну, тогда ответь на мой вопрос: одинаково ли быстро протекает диффузия в газах, жидкостях и твердых телах?
Витя:

Одинаково. На то она, брат, и диффузия.

ПРАВ ЛИ ВИТЯ?

Колобок.

Существовали старик со старухой.
Вот и акустически модулирует старик старухе:
- Переместись-ка, старуха, по зернохранилищу поскреби, по элеватору помети, не наскребешь ли муки на тороид или эллипсоид.
Взяла старуха вакуумный насос, по зернохранилищу поскребла, по элеватору помела и наскребла муки сто кубических сантиметров.
Создала коллоидную смесь муки и сметаны, сформовала колобок сферической формы, термически обработала в ненасыщенных жирных кислотах и на окошко положила. На закал.
Колобок попокоился, попокоился, взял да и пришел в движение: с окна на лавку, с лавки на пол, пó полу к двери, прыг через порог - да в сени, из сеней на крыльцо, с крыльца на двор, со двора за ворота, экспоненциально возрастает пройденный путь.
Перемещается Колобок по дороге, навстречу ему Заяц:
- Не абсорбируй меня, Заяц, я тебе первый закон Ньютона доложу:
Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго.
И равноускоренно покатился по дороге - только Заяц его и наблюдал!
Перемещается Колобок, навстречу ему Волк:
- Колобок, Колобок, я тебя абсорбирую!
- Не абсорбируй меня, Серый Волк, я тебе второй закон Ньютона открою:
В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.
И набрал кинетическую энергию - только Волк черенковское излучение и уловил!
Движется равномерно Колобок, навстречу ему Медведь:
- Колобок, Колобок, я тебя абсорбирую!
- Где тебе, косолапому, абсорбировать меня! Вот тебе третий закон Ньютона, подумай над ним:
Материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению.
И опять начал менять положение в пространстве - только Медведь его уравнение движения и интегрировал!
Релоцируется Колобок, навстречу ему Лиса:
- Колобок, Колобок, скажи конечную точку своей траектории?
- По антиградиенту геопотенциала перемещаюсь, не видишь что ли.
- Колобок, Колобок, расскажи мне про диффузию !
Колобок и запел:
Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность, вязкое трение и т. п.
Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной) . Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы.
А Лиса говорит:
- Ах, песенка хороша, да органы слуха деградировали. Колобок, Колобок, переместись ко мне на носок да спой еще разок, погромче.
Колобок сменил координаты в соответствии с условиями задачи и запел погромче ту же песенку.
А Лиса опять ему:
- Колобок, Колобок, сядь ко мне на язычок да пропой в последний разок.
Колобок прыг Лисе на язык, а Лиса его - гам! - и абсорбировала.

Cтраница 1


Зависимость скорости диффузии от состава стали Геллер и Так-Го Сун объясняют тем, что наличие в металле добавок, обладающих большим или меньшим сродством к водороду, чем железо, приводит к соответствующему изменению коэффициента диффузии, а следовательно, к изменению энергии активации процесса диффузии.  


Зависимость скорости диффузии низкомолекулярных ве-щест в в кристаллизующихся сополимерах от состава цепи приведена на рис. 5.14, 5.15. Можно видеть, что по мере амор-физации матрицы различия между DKP и Аш уменьшаются, а в средней области составов сополимеров (/ кр 0) они совпадают между собой.  

Зависимость скорости диффузии примесных элементов в твердом растворителе от размера зерна общеизвестна.  

Вследствие зависимости скорости диффузии от температуры способность ОВ проникать в лаковые и прочие покрытия в зимних условиях очень низка. Например, при - 10 С практически ОВ не проникают в лакокрасочные покрытия.  

Типы кинетич. кривых сорбции (1 и десорбции (2. обозначения в тексте.| Наиболее распространенные формы ячеек сотопласта. а - шестигранная, б - прямоугольная, б - гибкая, г - усиленная шестигранная, 9 - квадратная (разновидность прямоугольной.  

Поскольку зависимость скоростей диффузии и релаксации от темп-ры и концентрации не одинакова, при одних темп-рных и концентрационных условиях С. Поэтому при изменении темн-ры и концентрации возможен переход от С.  

Типы кинетич. кривых сорбции (1 и десорбции (2. обозначения в тексте.| Наиболее распространенные формы ячеек сотопласта. а - шестигранная, б - прямоугольная, в - гибкая, г - - усиленная шестигранная, д - квадратная (разновидность прямоугольной.  

Поскольку зависимость скоростей диффузии и релаксации от темп-ры и концентрации не одинакова, при одних темп-рных и концентрационных условиях С. Поэтому при изменении темп-ры и концентрации возможен переход от С.  

Представьте график зависимости скорости диффузии и скорости химической реакции от температуры для гетерогенной реакции и укажите, в каком интервале температур реакция протекает в диффузионной области, а в каком - в кинетической.  

Весьма важно знать зависимость скорости диффузии от диаметра дуги.  

Также легко объяснить зависимость скорости диффузии от температуры. Более высокая температура означает более высокие молекулярные скорости и более быструю диффузию. Наличие градиентов температуры приводит к возникновению термической диффузии. Явление термической диффузии заключается в том, что наличие градиента температуры в смеси двух газов приводит к возникновению градиента относительных концентраций этих компонентов. Если смесь, как целое, находится в состоянии покоя, градиент концентрации при равновесии будет таким, что действие термической диффузии уравновешивается действием обыкновенной диффузии.  

Также легко уяснить себе зависимость скорости диффузии от температуры и давления. Более высокая температура означает более высокие молекулярные скорости и более быструю диффузию. Более высокое давление означает меньшую длину свободного пути и более медленную диффузию.  

Также легко уяснить себе зависимость скорости диффузии от температуры. Более высокая температура означает более высокие молекулярные скорости и более быструю диффузию. Наличие температурных градиентов приводит к возникновению термической диффузии. Явление термической диффузии заключается в том, что наличие градиента температур в смеси двух газов приводит к возникновению градиента относительных концентраций этих компонентов.  

В настоящей работе выяснялась зависимость скорости диффузии ионов меди в стекло от природы и количества в стекле щелочных окислов, а также от природы окислов щелочноземельных элементов.  

Диффузия переводится с латыни, как распространение или взаимодействие. Диффузия является очень важным понятием физики. Суть диффузии заключается в проникновении одних молекул вещества в другие. В процессе перемешивания происходит выравнивание концентраций обоих веществ по занимаемому ими объему. Вещество из места с большей концентрацией переходит в место с меньшей концентрацией, за счет этого и происходит выравнивание концентраций.

Итак, явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называется диффузией.

Рассмотрев, что такое диффузия, следует перейти к условиям, которые могут оказывать воздействие на скорость протекания этого явления.

Факторы, влияющие на скорость диффузии

Чтобы понять, от чего зависит диффузия, рассмотрим факторы, которые на нее влияют.

Диффузия зависит от температуры . Скорость диффузии будет увеличиваться с увеличением температуры, потому что при повышении температуры будет увеличиваться скорость движения молекул, то есть молекулы будут быстрее перемешиваться. (Вы все знаете, что в холодной воде сахар расстворяется очень долго)

А при добавлении внешнего воздействия (человек размешивает сахар в воде) диффузия будет протекать быстрее. Агрегатное состояние вещества тоже будет влиять на то, от чего зависит диффузия, а именно на скорость диффузии. Тепловая диффузия зависит от вида молекул. Например, если предмет металлический, то тепловая диффузия протекает быстрее, в отличие от того, если бы этот предмет был сделан из синтетического материала. Очень медленно протекает диффузия между твердыми материалами.

Итак скорость диффузии зависит от: температуры, концентрации, внешних воздействий, агрегатного состояния вещества

Диффузия имеет огромное значение в природе и в жизни человека.

Примеры диффузии

Чтобы лучше разобраться, что такое диффузия, рассмотрим ее на примерах.Давайте вместе приведем примеры процесса диффузии в газах. Варианты проявления этого явления могут быть таковыми:

Распространение запаха цветов;

Распространение запаха курочки гриль, которая так нравится щенку Антошке;

Слезы из-за нарезания лука;

Шлейф духов, который можно почувствовать в воздухе.

Промежутки между частицами в воздухе довольно большие, частицы двигаются хаотично, поэтому диффузия газообразных веществ происходит достаточно быстро.

Простой и доступный каждому пример диффузия твердых тел – это взять два куска разноцветного пластилина и разминая их в руках, наблюдать, как смешиваются цвета. А, соответственно, без внешнего воздействия, если просто прижать два куска друг к другу, потребуются месяцы или даже годы, чтобы два цвета хоть немного перемешались, так сказать, проникли один в одного.

Варианты проявления диффузия в жидкостях могут быть таковыми:

Растворение капли чернил в воде;

- "Белье полиняло" окрас мокрых тканей;

Соление овощей и варка варенья

Итак, диффузией является перемешивание молекул вещества при их беспорядочном тепловом движении .

Среди многочисленных явлений в физике процесс диффузии относится к одним из самых простых и понятных. Ведь каждое утро, готовя себе ароматный чай или кофе, человек имеет возможность наблюдать эту реакцию на практике. Давайте узнаем больше об этом процессе и условиях его протекания в разных агрегатных состояниях.

Что такое диффузия

Данным словом именуется проникновение молекул или атомов одного вещества между аналогичными структурными единицами другого. При этом концентрация проникающего соединений выравнивается.

Впервые этот процесс был подробно описан немецким ученым Адольфом Фиком в 1855 г.

Название данного термина было образовано от латинского diffusio (взаимодействие, рассеивание, распространение).

Диффузия в жидкости

Рассматриваемый процесс может происходить с веществами во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Чтобы отыскать практические примеры этого, стоит просто заглянуть на кухню.

Варящийся на плите борщ - это один из них. Под действием температуры молекулы глюкозинбетанина (вещества, благодаря которому свекла обладает таким насыщенным алым цветом) равномерно реагируют с молекулами воды, придавая ей неповторимый бордовый оттенок. Данный случай - это в жидкостях.

Помимо борща, данный процесс можно увидеть и в стакане чая или кофе. Оба эти напитка имеют столь равномерный насыщенный оттенок благодаря тому, что заварка или частички кофе, растворяясь в воде, равномерно распространяются между ее молекулами, окрашивая ее. На этом же принципе построено действие всех популярных растворимых напитков девяностых: Yupi, Invite, Zuko.

Взаимопроникновение газов

Атомы и молекулы, переносящие запах, находятся в активном движении и вследствие него перемешиваются с частицами, уже содержащимися в воздухе, и довольно равномерно рассеиваются в объеме помещения.

Это проявление диффузии в газах. Стоит отметить, что само вдыхание воздуха тоже относится к рассматриваемому процессу, как и аппетитный запах свежеприготовленного борща на кухне.

Диффузия в твердых телах

Кухонный стол, на котором стоят цветы, застелен скатертью яркого желтого цвета. Подобный оттенок она получила благодаря способности диффузии проходить в твердых телах.

Сам процесс придания полотну какого-то равномерного оттенка проходит в несколько этапов следующим образом.

  1. Частички желтого пигмента диффундировали в красильной емкости по направлению к волокнистому материалу.
  2. Далее они были впитаны внешней поверхностью окрашиваемой ткани.
  3. Следующим шагом была снова диффузия красителя, но на этот раз уже внутрь волокон полотна.
  4. В финале ткань зафиксировала частички пигмента, таким образом окрасившись.

Диффундирование газов в металлах

Обычно, говоря об этом процессе, рассматривают взаимодействия веществ в одинаковых агрегатных состояниях. Например, диффузия в твердых телах, твердых веществах. Для доказательства этого явления проводится опыт с двумя прижатыми друг к другу металлическими пластинами (золото и свинец). Взаимопроникновение их молекул происходит довольно долго (один миллиметр за пять лет). Этот процесс используется для изготовления необычных украшений.

Однако диффундировать способны и соединения в разных агрегатных состояниях. К примеру, существует диффузия газов в твердых телах.

В процессе экспериментов было доказано, что подобный процесс протекает в атомарном состоянии. Для его активации, как правило, нужно значительно повышение температуры и давления.

Примером такой газовой диффузии в твердых телах является водородная коррозия. Она проявляется в ситуациях, когда возникшие в процессе какой-нибудь химической реакции атомы водорода (Н 2) под действием высоких температур (от 200 до 650 градусов Цельсия) проникают между структурными частицами металла.

Помимо водорода, в твердых телах диффузия кислорода и других газов также способна происходить. Этот незаметный глазу процесс приносит немало вреда, ведь из-за него могут рушиться металлические сооружения.

Диффундирование жидкостей в металлах

Однако не только молекулы газов могут проникать в твердые тела, но и жидкостей. Как и в случае с водородом, чаще всего такой процесс приводит к коррозии (если речь идет о металлах).

Классическим примером диффузии жидкости в твердых телах является коррозия металлов под воздействием воды (Н 2 О) или растворов электролитов. Для большинства этот процесс более знаком под названием ржавления. В отличие от водородной коррозии, на практике с ним приходится сталкиваться значительно чаще.

Условия ускорения диффузии. Коэффициент диффузии

Разобравшись с тем, в каких веществах может происходить рассматриваемый процесс, стоит узнать об условиях его протекания.

В первую очередь быстрота диффузии зависит от того, в каком агрегатном состоянии пребывают взаимодействующие вещества. Чем больше в котором происходит реакция, тем медленнее ее скорость.

В связи с этим диффузия в жидкостях и газах всегда будет проходить более активно, нежели в твердых телах.

К примеру, если кристаллы перманганата калия KMnO 4 (марганцовка) бросить в воду, они в течение нескольких минут придадут ей красивый малиновый цвет. Однако если посыпать кристаллами KMnO 4 кусочек льда и положить все это в морозилку, по прошествии нескольких часов перманганат калия так и не сможет полноценно окрасить замороженную Н 2 О.

Из предыдущего примера можно сделать еще один вывод об условиях диффузии. Помимо агрегатного состояния, на скорость взаимопроникновения частиц влияет также и температура.

Чтобы рассмотреть зависимость от нее рассматриваемого процесса, стоит узнать о таком понятии, как коэффициент диффузии. Так называется количественная характеристика ее скорости.

В большинстве формул она обозначается при помощи большой латинской литеры D и в системе СИ измеряется в квадратных метрах на секунду (м²/с), иногда - в сантиметрах за секунду (см 2 /м).

Коэффициент диффузии равен количеству вещества, рассеивающегося через единицу поверхности на протяжении единицы времени, при условии, что разность плотностей на обеих поверхностях (расположенных на расстоянии равном единице длины) равна единице. Критерии, определяющие D, - это свойства вещества, в котором происходит сам процесс рассеивания частиц, и их тип.

Зависимость коэффициента от температуры можно описать при помощи уравнения Аррениуса: D = D 0exp (-E/TR).

В рассмотренной формуле Е - минимальная энергия, необходимая для активации процесса; Т - температура (измеряется по Кельвину, а не Цельсию); R - постоянная газовая, характерная для идеального газа.

Помимо всего вышеперечисленного, на скорость диффузии в твердых телах, жидкости в газах влияет давление и излучение (индукционное или высокочастотное). Кроме того, многое зависит от наличия катализирующего вещества, часто именно оно выступает в роли пускового механизма для начала активного рассеивания частиц.

Уравнение диффузии

Данное явление - частный вид уравнения дифференциального при частных производных.

Его цель - отыскать зависимость концентрации вещества от размеров и координат пространства (в котором оно диффундирует), а также времени. При этом заданный коэффициент характеризует проницаемость среды для реакции.

Чаще всего уравнение диффузии записывают следующим образом: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .

В нем φ (t и r) — плотность рассеивающегося вещества в точке r во время t. D (φ, r) — диффузии обобщенный коэффициент при плотности φ в точке r.

∇ — векторный дифференциальный оператор, компоненты которого по координатам относятся к частным производным.

Когда коэффициент диффузии зависим от плотности, уравнение является нелинейным. Когда нет — линейным.

Рассмотрев определение диффузии и особенности данного процесса в разных средах, можно отметить, что он имеет как положительные, так и отрицательные стороны.