Difuzija

Primjer difuzije je miješanje plinova (primjerice, širenje mirisa) ili tekućina (ako kapnete tintu u vodu, tekućina će nakon nekog vremena postati jednoliko obojena). Drugi primjer je povezan s čvrstim tijelom: atomi susjednih metala pomiješani su na kontaktnoj granici. Difuzija čestica igra važnu ulogu u fizici plazme.

Obično se pod difuzijom podrazumijevaju procesi praćeni prijenosom tvari, no ponekad se difuzijom nazivaju i drugi procesi prijenosa: toplinska vodljivost, viskozno trenje itd.

Brzina difuzije ovisi o mnogim čimbenicima. Dakle, u slučaju metalne šipke, toplinska difuzija se odvija vrlo brzo. Ako je šipka izrađena od sintetičkog materijala, toplinska difuzija se odvija sporo. Difuzija molekula u općem slučaju teče još sporije. Na primjer, ako se komad šećera spusti na dno čaše vode, a voda se ne miješa, proći će nekoliko tjedana prije nego što otopina postane homogena. Još je sporija difuzija jedne čvrste tvari u drugu. Na primjer, ako se bakar presvuče zlatom, tada će doći do difuzije zlata u bakar, ali u normalnim uvjetima (sobna temperatura i atmosferski tlak) zlatonosni sloj će tek nakon nekoliko tisuća godina dosegnuti debljinu od nekoliko mikrona.

Kvantitativni opis procesa difuzije dao je njemački fiziolog A. Fick ( Engleski) 1855. godine

Opći opis

Sve vrste difuzije podliježu istim zakonima. Brzina difuzije proporcionalna je površini poprečnog presjeka uzorka, kao i razlici u koncentracijama, temperaturama ili nabojima (u slučaju relativno malih vrijednosti ovih parametara). Dakle, toplina će četiri puta brže putovati kroz šipku promjera dva centimetra nego kroz šipku promjera jedan centimetar. Ta će se toplina brže širiti ako je temperaturna razlika po centimetru 10°C umjesto 5°C. Brzina difuzije također je proporcionalna parametru koji karakterizira određeni materijal. U slučaju toplinske difuzije ovaj se parametar naziva toplinska vodljivost, u slučaju protoka električni naboji- električna provodljivost. Količina tvari koja difundira tijekom određenog vremena i udaljenost koju prijeđe tvar koja difundira proporcionalni su korijen vrijeme difuzije.

Difuzija je proces molekularna razina a određena je slučajnom prirodom kretanja pojedinih molekula. Stoga je brzina difuzije proporcionalna prosječnoj brzini molekula. U slučaju plinova Prosječna brzina ima više malih molekula, naime, ona je obrnuto proporcionalna kvadratnom korijenu mase molekule i raste s porastom temperature. Difuzijski procesi u čvrstim tijelima pri visokim temperaturama često nalaze praktičnu primjenu. Na primjer, određene vrste katodnih cijevi (CRT) koriste metalni torij difundiran kroz metalni volfram na 2000°C.

Ako je u mješavini plinova masa jedne molekule četiri puta veća od mase druge, tada se takva molekula giba dva puta sporije nego u čistom plinu. Sukladno tome, niža mu je i brzina difuzije. Ova razlika u brzinama difuzije između lakih i teških molekula koristi se za odvajanje tvari različitih molekularnih težina. Primjer je odvajanje izotopa. Ako se plin koji sadrži dva izotopa propusti kroz poroznu membranu, lakši izotopi prodiru kroz membranu brže od težih. Za bolje odvajanje, proces se provodi u nekoliko faza. Ovaj se postupak široko koristi za odvajanje izotopa urana (odvajanje 235 U od mase 238 U). Budući da je ova metoda odvajanja energetski intenzivna, razvijene su druge, ekonomičnije metode odvajanja. Na primjer, široko je razvijena uporaba toplinske difuzije u plinovitom mediju. Plin koji sadrži mješavinu izotopa nalazi se u komori u kojoj se održava prostorna temperaturna razlika (gradijent). U ovom slučaju, teški izotopi se koncentriraju tijekom vremena u hladnom području.

Fickove jednadžbe

Sa stajališta termodinamike, pokretački potencijal svakog procesa izravnavanja je rast entropije. Pri konstantnom tlaku i temperaturi ulogu takvog potencijala ima kemijski potencijal µ , uzrokujući održavanje toka materije. Tok čestica tvari proporcionalan je gradijentu potencijala

~

U većini praktičnih slučajeva umjesto kemijskog potencijala koristi se koncentracija C. Izravna zamjena µ na C postaje netočna u slučaju visokih koncentracija, budući da kemijski potencijal prestaje biti povezan s koncentracijom prema logaritamskom zakonu. Ako ne razmatramo takve slučajeve, tada se gornja formula može zamijeniti sljedećom:

što pokazuje da gustoća toka tvari J proporcionalan koeficijentu difuzije D[()] i koncentracijski gradijent. Ova jednadžba izražava Fickov prvi zakon. Fickov drugi zakon povezuje prostorne i vremenske promjene koncentracije (jednadžba difuzije):

Koeficijent difuzije D ovisno o temperaturi. U nizu slučajeva, u širokom rasponu temperatura, ova ovisnost je Arrheniusova jednadžba.

Dodatno polje primijenjeno paralelno s gradijentom kemijskog potencijala krši stabilno stanje. U ovom slučaju procesi difuzije opisuju se nelinearnom Fokker-Planckovom jednadžbom. Procesi difuzije su od velike važnosti u prirodi:

• Prehrana, disanje životinja i biljaka;
• Prodor kisika iz krvi u ljudska tkiva.

Geometrijski opis Fickove jednadžbe

U drugoj Fickovoj jednadžbi, na lijevoj strani je brzina promjene koncentracije tijekom vremena, a na desnoj strani jednadžbe je druga parcijalna derivacija, koja izražava prostornu distribuciju koncentracije, posebno, konveksnost temperature funkcija distribucije projicirana na x-os.

vidi također

• Površinska difuzija je proces povezan s kretanjem čestica na površini kondenziranog tijela unutar prvog površinskog sloja atoma (molekula) ili preko tog sloja.

Bilješke

Književnost

• Bokshtein B.S. Atomi lutaju kroz kristal. - M .: Nauka, 1984. - 208 str. - (Biblioteka "Kvant", br. 28). - 150.000 primjeraka.

Linkovi

• Difuzija (video lekcija, program za 7. razred)
• Difuzija atoma primjesa na površini monokristala

Zaklada Wikimedia. 2010. godine.

Sinonimi:

Pogledajte što je "difuzija" u drugim rječnicima:

- [lat. diffusio distribucija, širenje] fizički, kemijski. prodiranje molekula jedne tvari (plin, tekućina, krutina) u drugu pri njihovom izravnom kontaktu ili kroz poroznu pregradu. Rječnik strane riječi. Komlev N.G.,…… Rječnik stranih riječi ruskog jezika

Difuzija– je prodiranje u medij čestica jedne tvari čestica druge tvari, koje nastaje kao posljedica toplinsko gibanje u smjeru smanjenja koncentracije druge tvari. [Blum E.E. Rječnik osnovnih metalurških pojmova. Ekaterinburg… Enciklopedija pojmova, definicija i objašnjenja građevinskih materijala

Moderna enciklopedija

- (od lat. diffusio širenje širenje, raspršivanje), kretanje čestica medija, koje dovodi do prijenosa tvari i poravnanja koncentracija ili do uspostavljanja ravnotežne raspodjele koncentracija čestica određene vrste u mediju. U odsustvu… … Veliki enciklopedijski rječnik

DIFUZIJA, kretanje tvari u smjesi iz područja visoke koncentracije u područje niske koncentracije, uzrokovano nasumičnim kretanjem pojedinih atoma ili molekula. Difuzija prestaje kada koncentracijski gradijent nestane. Brzina…… Znanstveni i tehnički enciklopedijski rječnik

difuziju- i dobro. diffusion f., njem. Difuzija lat. diffusio širenje, širenje. Međusobno prodiranje susjednih tvari jedne u drugu zbog toplinskog kretanja molekula i atoma. Difuzija plinova, tekućina. BAS 2. || trans. Oni su… … Povijesni rječnik galicizmi ruskog jezika

Difuzija- (od lat. diffusio raspodjela, širenje, disperzija), kretanje čestica medija, što dovodi do prijenosa tvari i poravnanja koncentracija ili uspostavljanja njihove ravnotežne raspodjele. Difuzija se obično određuje toplinskim gibanjem ... ... Ilustrirani enciklopedijski rječnik

Kretanje čestica u smjeru smanjenja njihove koncentracije, zbog toplinskog gibanja. D. dovodi do poravnanja koncentracija tvari koja difuzira i ravnomjernog punjenja volumena česticama. ... ... Geološka enciklopedija

Uvod
1. Pojam i obrasci difuzije
1.1 Pojam difuzijskih procesa ……………………………………….. 5
1.2 Obrasci difuzije ………………………………………6
2. Korištenje difuzijskih procesa
2.1 Difuzija u obradi metala ………………………………………………8
2.2 Plazmoliza…………………………………………………………………… 11
2.3 Osmoza………………………………………………………………………………11
3. Primjena difuzije u proizvodnji…………………………………... 13
4. Primjena difuzije u medicini. Aparat "umjetni bubreg"…..15
5. Primjena difuzije u tehnici……………………………………………...16
Zaključak
Popis korištene literature

Uvod

Tema mog seminarskog rada je: "Procesi difuzije i njihova primjena u tehnici".

Difuzija je temeljni prirodni fenomen. Ona je u osnovi transformacija materije i energije. Njegove manifestacije odvijaju se na svim razinama organizacije prirodnih sustava na našem planetu, počevši od razine elementarnih čestica, atoma i molekula, pa sve do geosfere. Široko se koristi u tehnologiji, u svakodnevnom životu.
Bit difuzije je kretanje čestica medija, koje dovodi do prijenosa tvari i izjednačavanja koncentracija ili do uspostavljanja ravnotežne raspodjele čestica određene vrste u mediju. Difuzija molekula i atoma zbog njihova toplinskog gibanja. .
Proces difuzije je jedan od mehanizama za manifestaciju drugog zakona termodinamike, prema kojem svaki sustav teži prijeći u ravnotežnije stanje, odnosno stabilno stanje koje karakterizira povećanje entropije i minimum energije.
Difuzija je jedan od najvažnijih tehnoloških procesa u proizvodnji svih vrsta elektroničkih uređaja i mikrosklopova.

Difuzija je temeljni proces koji je u osnovi funkcioniranja živih sustava na bilo kojoj razini organizacije, od razine elementarnih čestica (elektronska difuzija) do biosferske razine (kruženje tvari u biosferi).

Fenomen difuzije ima široku primjenu u praksi. U svakodnevnom životu - kuhanje čaja, konzerviranje povrća, pravljenje džemova. U proizvodnji - pougljičenje (... čeličnih dijelova, za povećanje tvrdoće i toplinske otpornosti), aluminiziranje i oksidacijski procesi.

Svrha ovog kolegija je upoznati se s pojmom difuzije i difuzijskim procesima, analizirati njihovu primjenu u proizvodnji, tehnici, medicini. Uzimajući u obzir specifičnosti ove teme i raspon problematike koja se postavlja, struktura rada omogućuje dosljedno odgovaranje na teorijska pitanja u prvom dijelu, au drugom upoznavanje s praktičnom primjenom difuzijskih procesa.

1. Pojam i obrasci difuzije

1.1 Pojam difuzijskih procesa

Proces prodiranja čestica (molekula, atoma, iona) jedne tvari među čestice druge tvari uslijed kaotičnog gibanja naziva se difuzija. Dakle, difuzija je rezultat kaotičnog kretanja svih čestica materije, bilo kakvog mehaničkog djelovanja.

Budući da se čestice kreću u plinovima, u tekućinama i u čvrste tvari, tada je u tim tvarima moguća difuzija. Difuzija je prijenos tvari uslijed spontanog slaganja nehomogene koncentracije atoma ili molekula različitih vrsta. Ako se u posudu puste dijelovi raznih plinova, tada se nakon nekog vremena svi plinovi ravnomjerno izmiješaju: broj molekula svake vrste po jedinici volumena posude postat će konstantan, koncentracija će se izjednačiti (slika 1)

Difuzija se objašnjava na sljedeći način. Prvo, između dva tijela jasno je vidljivo sučelje između dva medija (slika 1a). Zatim, zbog svog kretanja, pojedine čestice tvari koje se nalaze u blizini granice mijenjaju mjesta. Granica između tvari se zamagljuje (slika 1b). Prodirući između čestica druge tvari, čestice prve počinju mijenjati mjesta s česticama druge, koje se nalaze u sve dubljim slojevima. Sučelje između tvari postaje još nejasnije. Zbog kontinuiranog i nasumičnog kretanja čestica, ovaj proces na kraju dovodi do toga da otopina u posudi postaje homogena (slika 1c).

Sl. 1. Objašnjenje fenomena difuzije.

Difuzija velikih čestica suspendiranih u plinu ili tekućini (na primjer, čestica dima ili suspenzije) provodi se zbog njihovog Brownovog gibanja. U nastavku, osim ako nije drugačije navedeno, mislimo na molekularnu difuziju.

Difuzija ima važnu ulogu u kemijskoj kinetici i tehnologiji. Kada se kemijska reakcija odvija na površini katalizatora ili jednog od reaktanata (primjerice, izgaranje ugljena), difuzija može odrediti brzinu dovoda drugih reaktanata i uklanjanja produkata reakcije, odnosno može biti određujući (ograničavajući ) postupak. Za isparavanje i kondenzaciju, otapanje kristala i kristalizaciju, difuzija se obično pokazuje odlučujućom. Za odvajanje izotopa koristi se proces difuzije plinova kroz porozne pregrade ili u mlaz pare. Difuzija je temelj brojnih tehnoloških procesa - adsorpcija, cementacija itd. Difuzijsko zavarivanje, difuzijska metalizacija imaju široku primjenu.

U tekućim otopinama, difuzija molekula otapala kroz polupropusne pregrade (membrane) dovodi do pojave osmotskog tlaka, koji se koristi u fizikalno-kemijskoj metodi razdvajanja tvari.

1.2 Obrasci difuzije

Koncentracijska razlika je pokretačka sila difuzije. Ako je koncentracija posvuda ista, nema difuznog prijenosa tvari. Izjednačavanje koncentracije kao rezultat difuzije događa se samo u odsutnosti vanjskih sila. Ako uz temperaturnu razliku postoji koncentracijska razlika, u električnom polju ili u uvjetima u kojima je gravitacija značajna (s velikom visinskom razlikom), izjednačavanje koncentracije nije potrebno. Primjer je smanjenje gustoće zraka s visinom.

Okrenimo se iskustvu. Dvije čaše su napunjene vodom, ali jedna je hladna, a druga vruća. Istodobno uronite vrećice čaja u čaše. Lako je vidjeti da u vrućoj vodi čaj brže boji vodu, difuzija se odvija brže. Brzina difuzije raste s povećanjem temperature, budući da se molekule tijela u interakciji počinju kretati brže.

Difuzija se najbrže odvija u plinovima, sporije u tekućinama, a još sporije u krutim tvarima, što je posljedica prirode toplinskog gibanja čestica u tim medijima. Putanja svake čestice plina je isprekidana linija, jer Prilikom sudara čestice mijenjaju smjer i brzinu kretanja. Poremećaj gibanja dovodi do činjenice da se svaka čestica postupno udaljava od mjesta na kojem je bila, a njezin pomak duž ravne linije mnogo je manji od puta koji je prošao duž isprekidane linije. Stoga je difuzijsko prodiranje puno sporije od slobodnog kretanja (brzina difuzijskog širenja mirisa, na primjer, puno je manja od brzine molekula). U tekućinama, u skladu s prirodom toplinskog gibanja molekula, difuzija se provodi skokovima molekula iz jednog privremenog ravnotežnog položaja u drugi. Svaki skok se događa kada se molekuli preda energija dovoljna da prekine svoje veze sa susjednim molekulama i prijeđe u okolinu drugih molekula (u novi energetski povoljan položaj). U prosjeku, skok ne prelazi međumolekularnu udaljenost. Difuzijsko gibanje čestica u tekućini može se smatrati gibanjem uz trenje. Koeficijent difuzije u tekućini raste s temperaturom, što je posljedica "labavljenja" strukture tekućine tijekom zagrijavanja i odgovarajućeg povećanja broja skokova u jedinici vremena.

U čvrstom tijelu može djelovati nekoliko mehanizama: zamjena mjesta atoma s prazninama (nezauzeti čvorovi kristalne rešetke), kretanje atoma duž međuprostora, istovremeno cikličko kretanje više atoma, neposredna zamjena mjesta dvaju susjednih atoma itd. Prvi mehanizam prevladava, na primjer, u stvaranju supstitucijskih čvrstih otopina, drugi - intersticijske čvrste otopine. Povećanje broja defekata (uglavnom slobodnih mjesta) olakšava kretanje atoma u čvrstom tijelu, difuziju i dovodi do povećanja koeficijenta difuzije. Koeficijent difuzije u čvrstim tijelima karakterizira oštra (eksponencijalna) ovisnost o temperaturi. Tako se koeficijent difuzije cinka u bakar povećava za faktor 1014 s porastom temperature od 20 do 300°C.

Sve eksperimentalne metode za određivanje koeficijenta difuzije sadrže dvije glavne točke: dovođenje tvari koje difuziraju u kontakt i analizu sastava tvari promijenjenih difuzijom. Sastav (koncentracija raspršene tvari) određuje se kemijski, optički (promjenom indeksa loma ili apsorpcijom svjetlosti), masenom spektroskopijom, metodom obilježenih atoma itd.

2. Korištenje difuzijskih procesa

2.1 Difuzija u obradi metala

Difuzijska metalizacija je proces difuzijskog zasićenja površine proizvoda metalima ili metaloidima. Difuzijsko zasićenje provodi se u praškastoj smjesi, plinovitom mediju ili rastaljenom metalu (ako metal ima nisko talište).

Boridiranje - difuzijsko zasićenje površine metala i legura borom za povećanje tvrdoće, otpornosti na koroziju, otpornosti na habanje provodi se elektrolizom u rastaljenoj soli bora. Boridiranje osigurava posebno visoku tvrdoću površine, otpornost na habanje, povećava otpornost na koroziju i otpornost na toplinu. Borni čelici imaju visoku otpornost na koroziju u vodenim otopinama klorovodične, sumporne i fosforne kiseline. Boridiranje se koristi za dijelove od lijevanog željeza i čelika koji rade u uvjetima trenja u agresivnom okruženju (u kemijskom inženjerstvu).

Aluminiziranje je proces difuzijskog zasićenja površinskog sloja aluminijem, koji se provodi u praškastim smjesama aluminija ili u rastaljenom aluminiju. Cilj je postići visoku toplinsku otpornost površine čeličnih dijelova. Aluminiziranje se provodi u krutim i tekućim medijima.

Silikonizacija - difuzijsko zasićenje silicijem provodi se u plinovitoj atmosferi. Sloj čeličnog dijela zasićen silicijem nema veliku tvrdoću, ali ima visoku otpornost na koroziju i povećanu otpornost na trošenje u morska voda, dušična, klorovodična u sumpornoj kiselini. Silikonizirani dijelovi koriste se u kemijskoj industriji, industriji celuloze i papira te u naftnoj industriji. Za povećanje otpornosti na toplinu, silikonizacija se koristi za proizvode izrađene od legura na bazi molibdena i volframa, koji imaju visoku otpornost na toplinu.

Difuzijski procesi u metalima imaju značajnu ulogu. Ako se dva metala dovedu u bliski kontakt snopom taloženja ili prešanjem praha jednog metala s drugim i podvrgnu se dovoljno visokim temperaturama, tada će svaki od ta dva metala difundirati u drugi. Ako je jedan od metala tekući, tada on istovremeno difundira u krutinu i otapa je.

Ako pođemo od čistih metala, tada se u međusloju formira cijela gama faza oba metala, obično odvojeno od mješavine graničnih faza. Razlika u koncentracijama u pojedinim slojevima vrlo je različita; brzina difuzije stoga jako ovisi o strukturi rešetke. U slučaju kontinuiranog niza čvrstih otopina, brzina difuzije također ovisi o sastavu mase; stoga je difuzija bakra u nikal s visokim talištem puno sporija od difuzije nikla u bakar. U istom metalu, drugi metali difundiraju, kao što su pokazali pokusi Geveza i Septsa s olovom, to većom brzinom, što su dalje u svojim skupinama u periodnom sustavu jedni od drugih (što su dalje u svojoj valenciji). Korištenjem radioaktivnog izotopa olova također se može utvrditi da homogeni atomi posebno sporo mijenjaju mjesta. Činjenica ove autodifuzije jasno ukazuje na kretanje atoma metala pri visokim temperaturama, na čemu se također temelji kristalizacija i rast kristala.

Difuzija je (doslovno) raspršivanje, širenje, širenje. Fizički karakterizira proces prijenosa energije ili tvari iz područja visoke koncentracije u područje smanjene koncentracije. Najčešća pojava s kojom se povezuje difuzija je miješanje molekula plina (primjerice, kada se miris parfema širi zrakom) ili tekućina. Isti se proces može promatrati i u čvrstim tvarima. Na primjer, ako je kraj šipke električki nabijen ili zagrijan, tada će se toplina (ili naboj) postupno širiti s vrućeg na hladno područje. Štoviše, ako uzmete metalni predmet, toplina će se širiti dovoljno brzo i struja- odmah. Ako je šipka izrađena od sintetičkog materijala, tada će se toplinsko širenje odvijati sporo, a električno širenje će biti još sporije. Difuzija krutih tvari odvija se još manjom brzinom.

Treba napomenuti da se ovaj pojam (kao i mnogi drugi) danas koristi ne samo u fizici.

Postoji, na primjer, takva stvar kao što je difuzija inovacija. To je proces kojim se kroz komunikacijske kanale u vremenu provodi prijenos inovacija do poslovnih subjekata. U ovom slučaju, difuzija je širenje informacija, čija brzina i oblik ovise o Velika važnost također imaju značajke percepcije informacija od strane subjekata koji obavljaju gospodarske aktivnosti, kao i njihovu sposobnost da praktična aplikacija primljene informacije. Širenjem inovacije koja je već jednom ovladana i primijenjena na drugom području, povećava se broj potrošača i proizvođača na novim mjestima i uvjetima. Kontinuitet procesa tvori granice i oblike distribucije inovacija u tržišnom gospodarstvu.

Stručnjaci ističu da u kontekstu ekonomska aktivnost difuzija ima ciklički karakter. Istovremeno, provedba cjelokupnog procesa implementacije, širenja inovacija podijeljena je u određene faze: temeljno i primijenjeno istraživanje, razvoj i projektiranje, konstrukcija, razvoj, kao i industrijska proizvodnja, marketing i prodaja.

Kulturna difuzija je koncept koji se koristi u društvenoj sferi. Karakterizira proces uzajamnog prodiranja određenih obilježja iz jedne društvene skupine u drugu kada dođu u dodir. U isto vrijeme, difuzija ne mora ostaviti nikakav trag ni na jednoj od kultura koje su u interakciji. Može se, međutim, dogoditi da taj prodor izazove snažan i jednak (ili jednostran) utjecaj. Kanali kroz koje se odvija difuzija su uglavnom turizam, rat, trgovina, znanstvenih skupova, sajmovi i izložbe, razmjena stručnjaka i studenata.

Širenje inovacija u društvenoj sferi može se odvijati u dva smjera: horizontalno ili vertikalno.

Horizontalna penetracija (međugrupna difuzija) primjećuje se između pojedinaca, grupa, jednakih po statusu.

Vertikalno širenje događa se između subjekata s nejednakim statusom. Taj se proces naziva stratifikacijska difuzija.

Karakterizira ga izrazita simbolička polarizacija stanovništva. Prema nizu kulturologa, srednja se klasa danas smatra primjerom životnog stila i stila (i za više i za niže slojeve).

Unosi i pozitivne i negativne osobine u društvo. Dakle, širenje uzvišenih ideja o životu srednjim i (osobito) nižim slojevima znači, s jedne strane, prosvjećivanje i demokratizaciju naroda. S druge strane, visoka kultura u ovom slučaju može se percipirati primitivno i vulgarno.

Apsolutno svi ljudi su čuli za takav koncept kao što je difuzija. Ovo je bila jedna od tema na satu fizike u 7. razredu. Unatoč činjenici da nas ovaj fenomen okružuje apsolutno posvuda, malo ljudi zna za njega. Što to uopće znači? Što je njezino fizičko značenje I kako s njime možete olakšati život? Danas ćemo razgovarati o ovome.

U kontaktu s

Kolege

Difuzija u fizici: definicija

To je proces prodiranja molekula jedne tvari između molekula druge tvari. Jednostavno rečeno, ovaj se proces može nazvati miješanjem. Tijekom ovoga miješanje nastaje međusobno prodiranje molekula tvari jedne u drugu. Na primjer, prilikom kuhanja kave molekule instant kave prodiru kroz molekule vode i obrnuto.

Brzina ovog fizičkog procesa ovisi o sljedećim čimbenicima:

1. Temperatura.
2. Agregatno stanje tvari.
3. Vanjski utjecaj.

Što je viša temperatura tvari, to se molekule brže kreću. Posljedično, proces miješanja odvija se brže pri višim temperaturama.

Agregatno stanje materije - najvažniji faktor. U svakom agregacijskom stanju molekule se kreću određenom brzinom.

Difuzija se može odvijati u sljedećim stanjima agregacije:

1. Tekućina.
2. Čvrsto.

Najvjerojatnije će čitatelj sada imati sljedeća pitanja:

1. Koji su uzroci difuzije?
2. Gdje teče brže?
3. Kako se primjenjuje u stvaran život?

Odgovore na njih možete pronaći u nastavku.

Uzroci

Apsolutno sve na ovom svijetu ima svoj razlog. I difuzija nije iznimka. Fizičarima su dobro poznati razlozi njegovog nastanka. A kako ih prenijeti prosječnom čovjeku?

Sigurno je svatko čuo da su molekule u stalnom kretanju. Štoviše, to kretanje je neuredno i kaotično, a brzina mu je vrlo velika. Zahvaljujući tom kretanju i stalnom sudaranju molekula dolazi do njihovog međusobnog prodiranja.

Ima li dokaza za ovaj pokret? Naravno! Sjećate li se kako ste brzo počeli osjećati miris parfema ili dezodoransa? A miris hrane koju vaša mama kuha u kuhinji? Sjeti se kako brzo pripremanje čaja ili kave. Sve to ne bi moglo biti da nije kretanja molekula. Zaključujemo da je glavni razlog difuzije stalno kretanje molekula.

Sada ostaje samo jedno pitanje - koji je razlog ovom pokretu? Pokreće ga želja za ravnotežom. To jest, u tvari postoje područja s visokim i niskim koncentracijama tih čestica. I zbog te želje, oni se stalno kreću iz područja visoke koncentracije u područje niske koncentracije. Stalno su sudaraju jedni s drugima, te dolazi do međusobnog prožimanja.

Difuzija u plinovima

Proces miješanja čestica u plinovima je najbrži. Može se pojaviti između homogenih plinova i između plinova različitih koncentracija.

Živopisni primjeri iz života:

1. Osvježivač zraka osjetite kroz difuziju.
2. Osjećate miris kuhane hrane. Imajte na umu da ga osjećate odmah, a miris osvježivača nakon nekoliko sekundi. To je zbog činjenice da je pri visokim temperaturama brzina kretanja molekula veća.
3. Suze koje nastaju kada režete luk. Molekule luka miješaju se s molekulama zraka, a vaše oči reagiraju na to.

Kako dolazi do difuzije u tekućinama?

Difuzija u tekućinama odvija se sporije. Može trajati od nekoliko minuta do nekoliko sati.

Najsvjetliji primjeri iz života:

1. Priprema čaja ili kave.
2. Miješanje vode i kalijevog permanganata.
3. Priprema otopine soli ili sode.

U tim slučajevima difuzija se odvija vrlo brzo (do 10 minuta). Međutim, ako se na proces primijeni vanjski utjecaj, na primjer, miješanje ovih otopina žlicom, tada će proces ići puno brže i trajati ne više od jedne minute.

Difuzija pri miješanju gušćih tekućina trajat će mnogo duže. Na primjer, miješanje dva tekuća metala može trajati nekoliko sati. Naravno, to možete učiniti za nekoliko minuta, ali u ovom će slučaju ispasti legura loše kvalitete.

Na primjer, difuzija pri miješanju majoneze i kiselog vrhnja trajat će jako dugo. Međutim, ako pribjegnete pomoći vanjskog utjecaja, tada ovaj proces neće trajati ni minutu.

Difuzija u čvrstim tijelima: primjeri

U čvrstim tijelima međusobno prodiranje čestica odvija se vrlo sporo. Ovaj proces može trajati nekoliko godina. Njegovo trajanje ovisi o sastavu tvari i strukturi njezine kristalne rešetke.

Eksperimenti koji dokazuju postojanje difuzije u čvrstim tijelima.

1. Lijepljenje dvije ploče od različitih metala. Ako ove dvije ploče držite blizu jednu drugoj i pod pritiskom, u roku od pet godina između njih će biti sloj širine 1 milimetra. Ovaj mali sloj će sadržavati molekule oba metala. Ove dvije ploče će se spojiti.
2. Na tanki olovni cilindar nanese se vrlo tanak sloj zlata. Nakon toga, ovaj dizajn se stavlja u pećnicu 10 dana. Temperatura zraka u peći je 200 stupnjeva Celzijusa. Nakon što je ovaj cilindar izrezan na tanke diskove, vrlo se jasno vidjelo da je olovo prodrlo u zlato i obrnuto.

Primjeri difuzije u okolnom svijetu

Kao što ste već shvatili, što je tvrđi medij, niža je brzina miješanja molekula. Sada razgovarajmo o tome gdje u stvarnom životu možete izvući praktične koristi od ovoga. fizički fenomen.

Proces difuzije događa se u našem životu cijelo vrijeme. Čak i kada ležimo na krevetu, na površini plahte ostaje vrlo tanak sloj naše kože. Također upija znoj. Zbog toga krevet postaje prljav i potrebno ga je presvući.

Dakle, manifestacija ovog procesa u svakodnevnom životu može biti sljedeća:

1. Prilikom mazanja maslaca na kruh, on se upija u njega.
2. Prilikom kiseljenja krastavaca sol najprije difundira s vodom, a zatim slana voda počinje difuzirati s krastavcima. Kao rezultat toga, dobivamo ukusan zalogaj. Banke moraju biti smotane. To je neophodno kako voda ne bi isparila. Točnije, molekule vode ne bi trebale difundirati s molekulama zraka.
3. Prilikom pranja posuđa, molekule vode i deterdženta prodiru u molekule preostalih komada hrane. To im pomaže da se skinu s tanjura i čine ga čišćim.

Manifestacija difuzije u prirodi:

1. Proces oplodnje događa se upravo zahvaljujući ovom fizičkom fenomenu. Molekule jajne stanice i spermija difundiraju, nakon čega se pojavljuje embrij.
2. Gnojidba tla. Upotrebom određenih kemikalija ili komposta, tlo postaje plodnije. Zašto se ovo događa? Zaključak je da molekule gnojiva difundiraju s molekulama tla. Nakon toga dolazi do procesa difuzije između molekula tla i korijena biljke. Zahvaljujući tome, sezona će biti plodnija.
3. Miješanje industrijskog otpada sa zrakom jako ga zagađuje. Zbog toga u krugu od jednog kilometra zrak postaje vrlo prljav. Njegove molekule difundiraju s molekulama čistog zraka iz susjednih područja. Tako se pogoršava ekološka situacija u gradu.

Manifestacija ovog procesa u industriji:

1. Silikonizacija je proces difuzijskog zasićenja silicijem. Provodi se u plinovitoj atmosferi. Sloj dijela zasićen silicijem nema veliku tvrdoću, ali ima visoku otpornost na koroziju i povećanu otpornost na habanje u morskoj vodi, dušičnoj, klorovodičnoj i sumpornoj kiselini.
2. Difuzija u metalima igra važnu ulogu u proizvodnji legura. Za dobivanje visokokvalitetne legure potrebno je proizvoditi legure na visokim temperaturama i uz vanjski utjecaj. To će uvelike ubrzati proces difuzije.

Ti se procesi odvijaju u različitim industrijama:

1. Elektronička.
2. Poluvodič.
3. Inženjering.

Kao što razumijete, proces difuzije može imati i pozitivne i negativne učinke na naše živote. Morate biti u stanju upravljati svojim životom i maksimizirati dobrobiti ovog fizičkog fenomena, kao i minimizirati štetu.

Sada znate što je bit takvog fizičkog fenomena kao što je difuzija. Sastoji se od međusobnog prodiranja čestica uslijed njihovog kretanja. Sve se u životu kreće. Ako ste student, onda ćete nakon čitanja našeg članka sigurno dobiti ocjenu 5. Sretno!

Među brojnim pojavama u fizici, proces difuzije jedan je od najjednostavnijih i najrazumljivijih. Uostalom, svako jutro, pripremajući sebi mirisni čaj ili kavu, osoba ima priliku promatrati ovu reakciju u praksi. Naučimo više o ovom procesu i uvjetima za njegovo odvijanje u različitim agregatnim stanjima.

Što je difuzija

Ova riječ se odnosi na prodiranje molekula ili atoma jedne tvari između sličnih strukturnih jedinica druge. U ovom slučaju, koncentracija prodornih spojeva je izravnana.

Ovaj proces prvi je detaljno opisao njemački znanstvenik Adolf Fick 1855. godine.

Naziv ovog pojma izveden je iz latinskog diffusio (međudjelovanje, disperzija, distribucija).

Difuzija u tekućini

Proces koji se razmatra može se dogoditi s tvarima u sva tri agregatna stanja: plinovitom, tekućem i krutom. Pronaći praktični primjeri ovo, samo morate pogledati u kuhinju.

Boršč kuhan na štednjaku jedan je od njih. Pod utjecajem temperature, molekule glukozin betanina (tvar zbog koje cikla ima tako bogatu grimiznu boju) ravnomjerno reagiraju s molekulama vode, dajući joj jedinstvenu bordo nijansu. Ovaj slučaj je u tekućinama.

Osim u boršču, ovaj se proces može vidjeti i u čaši čaja ili kave. Oba ova pića imaju tako ujednačenu bogatu nijansu zbog činjenice da se čestice čaja ili kave, otapajući se u vodi, ravnomjerno raspoređuju između njegovih molekula, bojeći ih. Radnja svih popularnih instant pića devedesetih izgrađena je na istom principu: Yupi, Invite, Zuko.

Međusobno prodiranje plinova

Atomi i molekule koje nose mirise aktivno se kreću i kao rezultat toga miješaju se s česticama koje se već nalaze u zraku i prilično su ravnomjerno raspoređene po volumenu prostorije.

Ovo je manifestacija difuzije u plinovima. Vrijedno je napomenuti da samo udisanje zraka također pripada procesu koji se razmatra, kao i ukusan miris svježe pripremljenog boršča u kuhinji.

Difuzija u čvrstim tijelima

Kuhinjski stol, na kojem stoji cvijeće, prekriven je svijetlim stolnjakom. žuta boja. Dobila je sličnu nijansu zbog sposobnosti difuzije da se odvija u čvrstim tvarima.

Proces davanja jednolike nijanse platnu odvija se u nekoliko faza kako slijedi.

1. Čestice žutog pigmenta difundirale su u spremniku za boju prema vlaknastom materijalu.
2. Zatim ih je apsorbirala vanjska površina obojene tkanine.
3. Sljedeći korak ponovno je bila difuzija boje, ali ovaj put u vlakna platna.
4. U finalu je tkanina fiksirala čestice pigmenta i tako postala obojena.

Difuzija plinova u metalima

Obično, govoreći o ovom procesu, razmatraju interakciju tvari u istim agregatnim stanjima. Na primjer, difuzija u čvrstim tijelima, čvrste tvari. Da bi se dokazao ovaj fenomen, provodi se pokus s dvije metalne ploče pritisnute jedna na drugu (zlatna i olovna). Prožimanje njihovih molekula traje prilično dugo (jedan milimetar u pet godina). Ovim se postupkom izrađuje neobičan nakit.

Međutim, spojevi u različitim agregatnim stanjima također su sposobni difuzirati. Na primjer, postoji difuzija plinova u čvrstim tijelima.

Tijekom pokusa dokazano je da se sličan proces događa i u atomskom stanju. Da bi se aktivirao, u pravilu je potrebno značajno povećanje temperature i tlaka.

Primjer takve plinske difuzije u čvrstim tvarima je vodikova korozija. Očituje se u situacijama u kojima, nastajući u procesu nekih kemijska reakcija atomi vodika (H 2) pod utjecajem visokih temperatura (od 200 do 650 stupnjeva Celzijusa) prodiru između strukturnih čestica metala.

Osim vodika, u čvrstim tijelima može doći i do difuzije kisika i drugih plinova. Ovaj proces, neprimjetan oku, donosi mnogo štete, jer se zbog njega metalne konstrukcije mogu srušiti.

Difuzija tekućina u metalima

Međutim, ne samo molekule plina mogu prodrijeti u čvrste tvari, već i tekućine. Kao iu slučaju vodika, najčešće ovaj proces dovodi do korozije (ako govorimo o metalima).

Klasičan primjer difuzije tekućina u čvrstim tijelima je korozija metala pod utjecajem vode (H 2 O) ili otopina elektrolita. Većini je ovaj proces poznatiji pod nazivom hrđanje. Za razliku od vodikove korozije, ona se u praksi susreće puno češće.

Uvjeti za ubrzanje difuzije. Koeficijent difuzije

Nakon što smo se bavili tvarima u kojima se proces koji se razmatra može dogoditi, vrijedi naučiti o uvjetima za njegovu pojavu.

Prije svega, brzina difuzije ovisi o stanju agregacije tvari koje međusobno djeluju. Što se više reakcija javlja, to je njezina brzina sporija.

S tim u vezi, difuzija u tekućinama i plinovima uvijek će biti aktivnija nego u čvrstim tvarima.

Na primjer, ako se kristali kalijevog permanganata KMnO 4 (kalijevog permanganata) bace u vodu, oni će joj dati prekrasnu grimiznu boju u roku od nekoliko minuta. Međutim, ako kristale KMnO 4 pospete na komad leda i sve to stavite u zamrzivač, nakon nekoliko sati kalijev permanganat neće moći u potpunosti obojiti smrznutu H 2 O.

Iz prethodnog primjera može se izvući još jedan zaključak o uvjetima difuzije. Osim agregatno stanje, temperatura također utječe na brzinu međusobnog prožimanja čestica.

Da bismo razmotrili ovisnost procesa koji se razmatra o njemu, vrijedi naučiti o takvom konceptu kao što je koeficijent difuzije. Ovo je naziv kvantitativne karakteristike njegove brzine.

U većini formula se označava velikim latiničnim slovom D, au SI sustavu se mjeri u četvornih metara u sekundi (m²/s), ponekad u centimetrima u sekundi (cm 2/m).

Koeficijent difuzije jednak je količini tvari raspršene kroz jediničnu površinu u jedinici vremena, pod uvjetom da je razlika u gustoćama na obje površine (koje se nalaze na udaljenosti jednakoj jedinici duljine) jednaka jedinici. Kriteriji koji određuju D su svojstva tvari u kojima se odvija sam proces raspršenja čestica, te njihova vrsta.

Ovisnost koeficijenta o temperaturi može se opisati pomoću Arrheniusove jednadžbe: D = D 0exp (-E/TR).

U razmatranoj formuli E je minimalna energija potrebna za aktiviranje procesa; T - temperatura (mjerena u Kelvinima, a ne u Celzijusu); R je plinska konstanta karakteristična za idealni plin.

Uz sve navedeno, na brzinu difuzije u krutim tvarima, tekućinama u plinovima utječu tlak i zračenje (indukcijsko ili visokofrekventno). Osim toga, mnogo ovisi o prisutnosti katalitičke tvari; često je ona ta koja djeluje kao okidač za početak aktivnog raspršivanja čestica.

Jednadžba difuzije

Ovaj fenomen je poseban oblik diferencijalne jednadžbe s parcijalnim derivacijama.

Njegov cilj je pronaći ovisnost koncentracije tvari o veličini i koordinatama prostora (u kojem difundira), kao i vremenu. U ovom slučaju navedeni koeficijent karakterizira propusnost medija za reakciju.

Najčešće se jednadžba difuzije piše na sljedeći način: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .

U njemu je φ (t i r) gustoća materijala koji raspršuje u točki r u trenutku t. D (φ, r) je generalizirani koeficijent difuzije pri gustoći φ u točki r.

∇ je vektorski diferencijalni operator čije su koordinatne komponente parcijalne derivacije.

Kada koeficijent difuzije ovisi o gustoći, jednadžba je nelinearna. Kad ne - linearno.

Razmotrivši definiciju difuzije i značajke ovog procesa u različite sredine, može se primijetiti da ima i pozitivne i negativne strane.