Bland de många fenomenen i fysiken är diffusionsprocessen en av de enklaste och mest begripliga. När allt kommer omkring, varje morgon, förbereder sig väldoftande te eller kaffe, har en person möjlighet att observera denna reaktion i praktiken. Låt oss lära oss mer om den här processen och förutsättningarna för att den inträffar i olika aggregerade tillstånd.
Vad är diffusion
Detta ord syftar på penetrering av molekyler eller atomer av ett ämne mellan liknande strukturella enheter i en annan. I detta fall utjämnas koncentrationen av penetrerande föreningar.
Denna process beskrevs först i detalj av den tyske vetenskapsmannen Adolf Fick 1855
Namnet på denna term bildades från det latinska verbala substantivet diffusio (interaktion, spridning, distribution).
Diffusion i en vätska
Processen som övervägs kan ske med ämnen i alla tre aggregationstillstånd: gasformiga, flytande och fasta. För praktiska exempel på detta, titta bara påkök.
Spiskokt borsjtj är en av dem. Under påverkan av temperatur reagerar molekylerna av glukosin betanin (ett ämne som beror på vilken betorna har en så rik scharlakansröd färg) jämnt med vattenmolekyler, vilket ger den en unik vinröd nyans. Det här fallet är ett exempel på diffusion i vätskor.
Förutom borsjtj kan denna process också ses i ett glas te eller kaffe. Båda dessa drycker har en så enhetlig rik nyans på grund av det faktum att teblad eller kaffepartiklar, som löses upp i vatten, sprids jämnt mellan dess molekyler och färgar det. Handlingen av alla populära snabbdrinkar på nittiotalet bygger på samma princip: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetrering av gaser
Om du fortsätter att leta vidare efter manifestationer av processen i fråga i köket, är det värt att nosa och njuta av den behagliga doften som kommer från en bukett färska blommor på matbordet. Varför händer detta?
Luktbärande atomer och molekyler är i aktiv rörelse och som ett resultat blandas de med partiklar som redan finns i luften och är ganska jämnt fördelade i rummets volym.
Detta är en manifestation av diffusion i gaser. Det är värt att notera att själva inandningen av luft också hör till processen under övervägande, liksom den aptitretande doften av nykokt borsjtj i köket.
Diffusion i fasta ämnen
Köksbordet med blommor är täckt med en knallgul duk. Hon fick en liknande nyans tack varediffusionsförmågan att passera genom fasta ämnen.
Processen att ge duken en enhetlig nyans sker i flera steg enligt följande.
- Partiklar av gult pigment diffunderade i bläckbehållaren mot det fibrösa materialet.
- De absorberades sedan av den yttre ytan av det färgade tyget.
- Nästa steg var igen att sprida färgen, men den här gången in i fibrerna på nätet.
- I finalen fixerade tyget pigmentpartiklarna och blev därmed färgat.
Diffusion av gaser i metaller
Vanligtvis, på tal om denna process, överväga interaktionen mellan ämnen i samma aggregationstillstånd. Till exempel diffusion i fasta ämnen, fasta ämnen. För att bevisa detta fenomen genomförs ett experiment med två metallplattor pressade mot varandra (guld och bly). Interpenetrationen av deras molekyler tar ganska lång tid (en millimeter på fem år). Denna process används för att göra ovanliga smycken.
Men föreningar i olika aggregerade tillstånd kan också diffundera. Det finns till exempel diffusion av gaser i fasta ämnen.
Under experimenten bevisades det att en sådan process äger rum i atomärt tillstånd. För att aktivera den behöver du som regel en betydande ökning av temperatur och tryck.
Ett exempel på sådan gasdiffusion i fasta ämnen är vätekorrosion. Det visar sig i situationer därVäteatomer (Н2) som har uppstått under loppet av någon kemisk reaktion under inverkan av höga temperaturer (från 200 till 650 grader Celsius) penetrerar mellan metallens strukturella partiklar.
Förutom väte kan diffusion av syre och andra gaser även förekomma i fasta ämnen. Denna process, omärklig för ögat, gör mycket skada, eftersom metallstrukturer kan kollapsa på grund av den.
Diffusion av vätskor i metaller
Men inte bara gasmolekyler kan tränga in i fasta ämnen, utan även vätskor. Liksom i fallet med väte leder denna process oftast till korrosion (när det gäller metaller).
Ett klassiskt exempel på vätskediffusion i fasta ämnen är korrosion av metaller under påverkan av vatten (H2O) eller elektrolytlösningar. För de flesta är denna process mer bekant under namnet rost. Till skillnad från vätekorrosion måste den i praktiken påträffas mycket oftare.
Förutsättningar för att accelerera diffusion. Diffusionskoefficient
Efter att ha behandlat de ämnen i vilka den aktuella processen kan ske, är det värt att lära sig mer om förutsättningarna för dess förekomst.
För det första beror diffusionshastigheten på det aggregerade tillståndet för de interagerande ämnena. Ju större densiteten hos materialet i vilket reaktionen sker, desto långsammare hastighet.
I detta avseende kommer diffusion i vätskor och gaser alltid att vara mer aktiv än i fasta ämnen.
Till exempel, om kristallernakaliumpermanganat KMnO4 (kaliumpermanganat) kasta i vatten, de kommer att ge det en vacker hallonfärg på några minuter Färg. Men om du strör kristaller av KMnO4 på en isbit och lägger allt i frysen, kommer kaliumpermanganat efter några timmar att inte kunna färga den frusna H 2O.
Från föregående exempel kan ytterligare en slutsats om diffusionsförhållandena dras. Förutom tillståndet för aggregation påverkar temperaturen också hastigheten för interpenetration av partiklar.
För att överväga beroendet av processen som övervägs av det, är det värt att lära sig om ett sådant koncept som diffusionskoefficienten. Detta är namnet på den kvantitativa egenskapen för dess hastighet.
I de flesta formler betecknas den med en latinsk stor bokstav D och i SI-systemet mäts den i kvadratmeter per sekund (m² / s), ibland i centimeter per sekund (cm2 /m).
Diffusionskoefficienten är lika med mängden materia som sprids genom en enhetsyta under en tidsenhet, förutsatt att densitetsskillnaden på båda ytorna (belägen på ett avstånd lika med en enhetslängd) är lika med ett. Kriterierna som bestämmer D är egenskaperna hos det ämne i vilket själva partikelspridningsprocessen äger rum och deras typ.
Koefficientens beroende av temperatur kan beskrivas med Arrhenius-ekvationen: D=D0exp(-E/TR).
I den betraktade formeln är E den minsta energi som krävs för att aktivera processen; T - temperatur (mätt i Kelvin, inte Celsius); R-gaskonstant som är karakteristisk för en idealgas.
Utöver allt ovanstående påverkas diffusionshastigheten i fasta ämnen, vätskor i gaser av tryck och strålning (induktiv eller högfrekvent). Dessutom beror mycket på närvaron av en katalytisk substans, ofta fungerar den som en utlösande faktor för starten av aktiv spridning av partiklar.
Diffusionsekvation
Detta fenomen är en speciell form av den partiella differentialekvationen.
Dess mål är att hitta beroendet av koncentrationen av ett ämne på storleken och koordinaterna för rummet (i vilket det diffunderar), såväl som tiden. I detta fall karakteriserar den givna koefficienten permeabiliteten hos mediet för reaktionen.
Oftast skrivs diffusionsekvationen enligt följande: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
I den är φ (t och r) densiteten för spridningsämnet vid punkten r vid tidpunkten t. D (φ, r) - generaliserad diffusionskoefficient vid densitet φ vid punkten r.
∇ - vektordifferentialoperator vars komponenter är partiella derivator i koordinater.
När diffusionskoefficienten är densitetsberoende är ekvationen icke-linjär. När inte – linjär.
Efter att ha övervägt definitionen av diffusion och egenskaperna hos denna process i olika miljöer, kan det noteras att den har både positiva och negativa sidor.
