Difúzia
Príkladom difúzie je miešanie plynov (napríklad šírenie pachov) alebo kvapalín (ak kvapnete atrament do vody, kvapalina sa po chvíli rovnomerne zafarbí). Ďalší príklad je spojený s pevným telesom: atómy susedných kovov sú zmiešané na hranici kontaktu. Difúzia častíc hrá dôležitú úlohu vo fyzike plazmy.
Zvyčajne sa difúziou rozumejú procesy sprevádzané prenosom hmoty, niekedy sa však difúziou nazývajú aj iné prenosové procesy: tepelná vodivosť, viskózne trenie atď.
Rýchlosť difúzie závisí od mnohých faktorov. Takže v prípade kovovej tyče prebieha tepelná difúzia veľmi rýchlo. Ak je tyč vyrobená zo syntetického materiálu, tepelná difúzia prebieha pomaly. Difúzia molekúl vo všeobecnosti prebieha ešte pomalšie. Napríklad, ak sa kúsok cukru spustí na dno pohára s vodou a voda sa nemieša, bude trvať niekoľko týždňov, kým sa roztok stane homogénnym. Ešte pomalšia je difúzia jednej pevnej látky do druhej. Napríklad, ak je meď pokrytá zlatom, potom dôjde k difúzii zlata do medi, ale za normálnych podmienok (izbová teplota a atmosférický tlak) dosiahne zlatonosná vrstva hrúbku niekoľkých mikrónov až po niekoľkých tisíckach rokov.
Kvantitatívny popis difúznych procesov podal nemecký fyziológ A. Fick ( Angličtina) v roku 1855
všeobecný popis
Všetky typy difúzie sa riadia rovnakými zákonmi. Rýchlosť difúzie je úmerná ploche prierezu vzorky, ako aj rozdielu koncentrácií, teplôt alebo nábojov (v prípade relatívne malých hodnôt týchto parametrov). Teplo sa teda bude šíriť štyrikrát rýchlejšie cez tyč s priemerom dva centimetre ako cez tyč s priemerom jedného centimetra. Toto teplo sa bude šíriť rýchlejšie, ak je rozdiel teplôt na centimeter 10 °C namiesto 5 °C. Rýchlosť difúzie je tiež úmerná parametru charakterizujúcemu konkrétny materiál. V prípade tepelnej difúzie sa tento parameter nazýva tepelná vodivosť, v prípade prúdenia elektrické náboje- elektrická vodivosť. Množstvo látky, ktoré difunduje za určitý čas, a vzdialenosť, ktorú difundujúca látka prejde, sú úmerné odmocninačas difúzie.
Difúzia je proces molekulárnej úrovni a je určená náhodným charakterom pohybu jednotlivých molekúl. Rýchlosť difúzie je teda úmerná priemernej rýchlosti molekúl. V prípade plynov priemerná rýchlosť existuje viac malých molekúl, konkrétne je to nepriamo úmerné druhej odmocnine hmotnosti molekuly a rastie so zvyšujúcou sa teplotou. Difúzne procesy v pevných látkach pri vysokých teplotách často nachádzajú praktické uplatnenie. Napríklad niektoré typy katódových trubíc (CRT) používajú kovové tórium difundované cez kovový volfrám pri 2000 °C.
Ak je v zmesi plynov hmotnosť jednej molekuly štyrikrát väčšia ako druhej, potom sa takáto molekula pohybuje dvakrát pomalšie v porovnaní s jej pohybom v čistom plyne. V súlade s tým je rýchlosť jeho difúzie tiež nižšia. Tento rozdiel v rýchlosti difúzie medzi ľahkými a ťažkými molekulami sa používa na oddelenie látok s rôznymi molekulovými hmotnosťami. Príkladom je separácia izotopov. Ak plyn obsahujúci dva izotopy prechádza cez poréznu membránu, ľahšie izotopy prenikajú membránou rýchlejšie ako ťažšie. Pre lepšie oddelenie sa proces uskutočňuje v niekoľkých fázach. Tento proces sa široko používa na separáciu izotopov uránu (oddelenie 235 U od väčšiny 238 U). Pretože tento spôsob separácie je energeticky náročný, boli vyvinuté iné, ekonomickejšie separačné metódy. Široko rozvinuté je napríklad použitie tepelnej difúzie v plynnom médiu. Plyn obsahujúci zmes izotopov sa umiestni do komory, v ktorej sa udržiava priestorový teplotný rozdiel (gradient). V tomto prípade sa ťažké izotopy časom koncentrujú v chladnej oblasti.
Fickove rovnice
Z hľadiska termodynamiky je hnacím potenciálom každého nivelačného procesu rast entropie. Pri konštantnom tlaku a teplote zohráva úlohu takéhoto potenciálu chemický potenciál µ , čo spôsobuje udržanie toku hmoty. Tok častíc látky je úmerný gradientu potenciálu
~Vo väčšine praktických prípadov sa namiesto chemického potenciálu používa koncentrácia C. Priama výmena µ na C sa stáva nesprávnym v prípade vysokých koncentrácií, pretože chemický potenciál prestáva súvisieť s koncentráciou podľa logaritmického zákona. Ak takéto prípady neberieme do úvahy, vyššie uvedený vzorec možno nahradiť nasledujúcim:
čo ukazuje, že hustota toku hmoty Júmerné difúznemu koeficientu D[()] a koncentračný gradient. Táto rovnica vyjadruje prvý Fickov zákon. Druhý Fickov zákon sa týka priestorových a časových zmien koncentrácie (difúzna rovnica):
Difúzny koeficient D závislé od teploty. V mnohých prípadoch, v širokom teplotnom rozsahu, je táto závislosť Arrheniovou rovnicou.
Dodatočné pole aplikované paralelne s gradientom chemického potenciálu porušuje ustálený stav. V tomto prípade sú difúzne procesy opísané nelineárnou Fokker-Planckovou rovnicou. Difúzne procesy majú v prírode veľký význam:
- Výživa, dýchanie zvierat a rastlín;
- Prenikanie kyslíka z krvi do ľudských tkanív.
Geometrický popis Fickovej rovnice
V druhej Fickovej rovnici je na ľavej strane miera zmeny koncentrácie v čase a na pravej strane rovnice je druhá parciálna derivácia, ktorá vyjadruje priestorové rozloženie koncentrácie, najmä konvexnosť teploty. distribučná funkcia premietnutá na os x.
pozri tiež
- Povrchová difúzia je proces spojený s pohybom častíc vyskytujúcich sa na povrchu kondenzovaného telesa v rámci prvej povrchovej vrstvy atómov (molekúl) alebo cez túto vrstvu.
Poznámky
Literatúra
- Bokshtein B.S. Atómy putujú kryštálom. - M .: Nauka, 1984. - 208 s. - (Knižnica "Quantum", vydanie 28). - 150 000 kópií.
Odkazy
- Difúzia (video lekcia, program pre 7. ročník)
- Difúzia atómov nečistôt na povrchu monokryštálu
Nadácia Wikimedia. 2010.
Synonymá:Pozrite si, čo je „Diffusion“ v iných slovníkoch:
- [lat. diffusio distribúcia, šírenie] fyzikálny, chemický. prenikanie molekúl jednej látky (plynu, kvapaliny, tuhej látky) do druhej pri ich priamom kontakte alebo cez poréznu prepážku. Slovník cudzie slová. Komlev N.G., … … Slovník cudzích slov ruského jazyka
Difúzia- je prenikanie častíc jednej látky do prostredia častíc inej látky, ku ktorému dochádza v dôsledku tepelný pohyb v smere znižovania koncentrácie inej látky. [Blum E.E. Slovník základných hutníckych pojmov. Jekaterinburg… Encyklopédia pojmov, definícií a vysvetlení stavebných materiálov
Moderná encyklopédia
- (z lat. diffusio šírenie šírenie, rozptyl), pohyb častíc média, vedúci k presunu hmoty a vyrovnaniu koncentrácií alebo k nastoleniu rovnovážneho rozloženia koncentrácií častíc daného typu v médiu. V neprítomnosti… … Veľký encyklopedický slovník
DIFÚZIA, pohyb látky v zmesi z oblasti s vysokou koncentráciou do oblasti s nízkou koncentráciou, spôsobený náhodným pohybom jednotlivých atómov alebo molekúl. Difúzia sa zastaví, keď koncentračný gradient zmizne. Rýchlosť…… Vedecko-technický encyklopedický slovník
difúzia- a dobre. difúzna f., nem. Difúzna lat. diffusio šírenie, šírenie. Vzájomné prenikanie susediacich látok do seba v dôsledku tepelného pohybu molekúl a atómov. Difúzia plynov, kvapalín. BAS 2. || trans. Oni sú… … Historický slovník galicizmy ruského jazyka
Difúzia- (z lat. diffusio rozloženie, šírenie, rozptyl), pohyb častíc prostredia, vedúci k presunu hmoty a zosúladeniu koncentrácií alebo nastoleniu ich rovnovážneho rozloženia. Difúzia je zvyčajne určená tepelným pohybom ... ... Ilustrovaný encyklopedický slovník
Pohyb častíc v smere znižovania ich koncentrácie v dôsledku tepelného pohybu. D. vedie k vyrovnaniu koncentrácií difundujúcej látky a rovnomernému naplneniu objemu časticami. ... ... Geologická encyklopédia
Úvod
1. Pojem a vzorce difúzie
1.1 Pojem difúznych procesov ……………………………………….. 5
1.2 Vzorce difúzie …………………………………………6
2. Využitie difúznych procesov
2.1 Difúzia pri spracovaní kovov …………………………………………………………8
2.2 Plazmolýza……………………………………………………………………… 11
2.3 Osmóza……………………………………………………………………………………… 11
3. Aplikácia difúzie vo výrobe………………………………………... 13
4. Aplikácia difúzie v medicíne. Prístroj "umelá oblička".....15
5. Aplikácia difúzie v strojárstve………………………………………………………...16
Záver
Zoznam použitej literatúry
Úvod
Témou mojej semestrálnej práce je: "Difúzne procesy a ich využitie v technike".
Difúzia je základným prírodným fenoménom. Je základom premien hmoty a energie. Jeho prejavy prebiehajú na všetkých úrovniach organizácie prírodných systémov našej planéty, počnúc úrovňou elementárnych častíc, atómov a molekúl a končiac geosférou. Je široko používaný v technike, v každodennom živote.
Podstatou difúzie je pohyb častíc média, vedúci k prenosu látok a vyrovnávaniu koncentrácií alebo k nastoleniu rovnovážneho rozloženia častíc daného typu v médiu. Difúzia molekúl a atómov v dôsledku ich tepelného pohybu. .
Proces difúzie je jedným z mechanizmov prejavu druhého termodynamického zákona, podľa ktorého má každý systém tendenciu prejsť do rovnovážnejšieho stavu, to znamená do stabilného stavu charakterizovaného nárastom entropie a minimom energie.
Difúzia je jedným z najdôležitejších technologických procesov pri výrobe všetkých typov elektronických zariadení a mikroobvodov.
Difúzia je základný proces, ktorý je základom fungovania živých systémov na akejkoľvek úrovni organizácie, od úrovne elementárnych častíc (elektronická difúzia) až po biosférickú úroveň (cirkulácia látok v biosfére).
Fenomén difúzie je v praxi široko používaný. V každodennom živote - varenie čaju, konzervovanie zeleniny, výroba džemov. Vo výrobe - nauhličovanie (... oceľových dielov na zvýšenie ich tvrdosti a tepelnej odolnosti), procesy hliníkovania a oxidácie.
Cieľom tejto predmetovej práce je zoznámiť sa s pojmom difúzia a difúzne procesy, analyzovať ich využitie vo výrobe, technológii, medicíne. S prihliadnutím na špecifiká tejto témy a rozsah nastolených problémov umožňuje štruktúra práce v prvej časti dôsledne odpovedať na teoretické otázky a v druhej sa naučiť praktické využitie difúznych procesov.
1. Pojem a vzorce difúzie
1.1 Koncepcia difúznych procesov
Proces prenikania častíc (molekúl, atómov, iónov) jednej látky medzi častice inej látky v dôsledku chaotického pohybu sa nazýva difúzia. Difúzia je teda výsledkom chaotického pohybu všetkých častíc hmoty, akéhokoľvek mechanického pôsobenia.
Keďže častice sa pohybujú v plynoch, kvapalinách a v pevné látky, potom je možná difúzia v týchto látkach. Difúzia je prenos hmoty v dôsledku spontánneho usporiadania nehomogénnej koncentrácie atómov alebo molekúl rôznych typov. Ak sa do nádoby vpustia časti rôznych plynov, po chvíli sa všetky plyny rovnomerne premiešajú: počet molekúl každého typu na jednotku objemu nádoby sa ustáli, koncentrácia sa vyrovná (obr. 1)
Difúzia je vysvetlená nasledovne. Po prvé, medzi dvoma telesami je jasne viditeľné rozhranie medzi dvoma médiami (obr. 1a). Potom si vďaka svojmu pohybu jednotlivé častice látok nachádzajúce sa v blízkosti hranice vymieňajú miesta. Hranica medzi látkami sa stiera (obr. 1b). Po preniknutí medzi častice inej látky si častice prvej začnú vymieňať miesta s časticami druhej, ktoré sú v stále hlbších vrstvách. Rozhranie medzi látkami sa stáva ešte nejasnejším. V dôsledku kontinuálneho a náhodného pohybu častíc tento proces nakoniec vedie k tomu, že roztok v nádobe sa stáva homogénnym (obr. 1c).
Obr.1. Vysvetlenie fenoménu difúzie.
Difúzia veľkých častíc suspendovaných v plyne alebo kvapaline (napríklad častice dymu alebo suspenzie) sa uskutočňuje v dôsledku ich Brownovho pohybu. V nasledujúcom texte, pokiaľ nie je uvedené inak, máme na mysli molekulárnu difúziu.
Difúzia hrá dôležitú úlohu v chemickej kinetike a technológii. Keď dôjde k chemickej reakcii na povrchu katalyzátora alebo jedného z reaktantov (napríklad spaľovanie uhlia), difúzia môže určiť rýchlosť dodávky iných reaktantov a odstraňovanie produktov reakcie, to znamená, že môže byť určujúcim (obmedzujúcim ) proces. Pre odparovanie a kondenzáciu, rozpúšťanie kryštálov a kryštalizáciu sa zvyčajne ukazuje ako rozhodujúca difúzia. Na separáciu izotopov sa využíva proces difúzie plynov cez porézne prepážky alebo do prúdu pary. Difúzia je základom mnohých technologických procesov - adsorpcia, cementácia atď. Difúzne zváranie, difúzna metalizácia sú široko používané.
V kvapalných roztokoch vedie difúzia molekúl rozpúšťadla cez semipermeabilné priečky (membrány) k vzniku osmotického tlaku, ktorý sa používa pri fyzikálno-chemickej metóde separácie látok.
1.2 Vzory difúzie
Rozdiel v koncentrácii je hnacou silou difúzie. Ak je koncentrácia všade rovnaká, nedochádza k difúznemu prenosu hmoty. Vyrovnanie koncentrácie v dôsledku difúzie nastáva iba v neprítomnosti vonkajších síl. Ak existuje koncentračný rozdiel spolu s teplotným rozdielom, v elektrickom poli alebo v podmienkach, kde je významná gravitácia (s veľkým výškovým rozdielom), vyrovnávanie koncentrácie nie je potrebné. Príkladom je pokles hustoty vzduchu s výškou.
Obráťme sa na skúsenosti. Dva poháre sú naplnené vodou, ale jeden je studený a druhý horúci. Čajové vrecúška zároveň ponorte do pohárov. Je ľahké vidieť, že v horúcej vode čaj rýchlejšie farbí vodu, difúzia prebieha rýchlejšie. Rýchlosť difúzie sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou, pretože molekuly interagujúcich telies sa začínajú pohybovať rýchlejšie.
Difúzia prebieha najrýchlejšie v plynoch, pomalšie v kvapalinách a ešte pomalšie v pevných látkach, čo je spôsobené povahou tepelného pohybu častíc v týchto médiách. Dráha každej častice plynu je prerušovaná čiara, pretože Keď sa častice zrazia, zmenia smer a rýchlosť svojho pohybu. Porucha pohybu vedie k tomu, že každá častica sa postupne vzďaľuje od miesta, kde bola, a jej posun po priamke je oveľa menší ako dráha prejdená po prerušovanej čiare. Preto je difúzna penetrácia oveľa pomalšia ako voľný pohyb (rýchlosť difúzneho šírenia pachov je napríklad oveľa menšia ako rýchlosť molekúl). V kvapalinách sa v súlade s povahou tepelného pohybu molekúl difúzia uskutočňuje skokmi molekúl z jednej dočasnej rovnovážnej polohy do druhej. Každý skok nastane, keď je molekule odovzdaná energia dostatočná na to, aby prerušila jej väzby so susednými molekulami a prešla do prostredia iných molekúl (do novej energeticky výhodnej polohy). V priemere skok nepresahuje medzimolekulovú vzdialenosť. Difúzny pohyb častíc v kvapaline možno považovať za pohyb s trením. Koeficient difúzie v kvapaline sa zvyšuje s teplotou, čo je spôsobené „uvoľňovaním“ štruktúry kvapaliny počas zahrievania a zodpovedajúcim zvýšením počtu skokov za jednotku času.
V pevnom telese môže fungovať viacero mechanizmov: výmena miest atómov s vakanciami (neobsadené uzly kryštálovej mriežky), pohyb atómov po medzipriestoroch, súčasný cyklický pohyb viacerých atómov, priama výmena miest dvoch susedných atómov atď. Prvý mechanizmus prevláda napríklad pri tvorbe substitučných tuhých roztokov, druhý - intersticiálne tuhé roztoky. Zvýšenie počtu defektov (hlavne voľných miest) uľahčuje pohyb atómov v pevnom tele, difúziu a vedie k zvýšeniu koeficientu difúzie. Difúzny koeficient v tuhých látkach je charakterizovaný ostrou (exponenciálnou) závislosťou od teploty. Koeficient difúzie zinku do medi sa teda zvyšuje o faktor 1014, keď teplota stúpa z 20 na 300 °C.
Všetky experimentálne metódy na stanovenie difúzneho koeficientu obsahujú dva hlavné body: uvedenie difúznych látok do kontaktu a analýzu zloženia látok zmenených difúziou. Zloženie (koncentrácia difúznej látky) sa určuje chemicky, opticky (zmenou indexu lomu alebo absorpciou svetla), hmotnostnou spektroskopiou, metódou značených atómov atď.
2. Využitie difúznych procesov
2.1 Difúzia pri spracovaní kovov
Difúzna metalizácia je proces difúzneho nasýtenia povrchu výrobkov kovmi alebo metaloidmi. Difúzna saturácia sa uskutočňuje v práškovej zmesi, plynnom médiu alebo roztavenom kove (ak má kov nízku teplotu topenia).
Boridovanie - difúzne nasýtenie povrchu kovov a zliatin bórom na zvýšenie tvrdosti, odolnosti proti korózii, odolnosti proti opotrebeniu sa vykonáva elektrolýzou v roztavenej soli bóru. Boridovanie poskytuje obzvlášť vysokú tvrdosť povrchu, odolnosť proti opotrebovaniu, zvyšuje odolnosť proti korózii a tepelnú odolnosť. Bórové ocele majú vysokú odolnosť proti korózii vo vodných roztokoch kyseliny chlorovodíkovej, sírovej a fosforečnej. Boridovanie sa používa pre liatinové a oceľové diely pracujúce v podmienkach trenia v agresívnom prostredí (v chemickom inžinierstve).
Hliníkovanie je proces difúzneho nasýtenia povrchovej vrstvy hliníkom, ktorý sa uskutočňuje v práškových hliníkových zmesiach alebo v roztavenom hliníku. Cieľom je získať vysokú tepelnú odolnosť povrchu oceľových dielov. Hliníkovanie sa vykonáva v pevných a kvapalných médiách.
Silikónizácia - difúzna saturácia kremíkom sa uskutočňuje v plynnej atmosfére. Kremíkom nasýtená vrstva oceľovej časti má nie príliš vysokú tvrdosť, ale vysokú odolnosť proti korózii a zvýšenú odolnosť proti opotrebovaniu v morská voda, dusičná, chlorovodíková v kyselinách sírových. Silikonizované diely sa používajú v chemickom, celulózovom, papierenskom a ropnom priemysle. Na zvýšenie tepelnej odolnosti sa silikónovanie používa pri výrobkoch vyrobených zo zliatin na báze molybdénu a volfrámu, ktoré majú vysokú tepelnú odolnosť.
Významnú úlohu zohrávajú difúzne procesy v kovoch. Ak sa dva kovy dostanú do tesného kontaktu lúčom nanášania alebo lisovania prášku jedného kovu s druhým a sú vystavené dostatočne vysokým teplotám, potom každý z týchto dvoch kovov bude difundovať do druhého. Ak je jeden z kovov tekutý, potom súčasne difunduje do pevnej látky a rozpúšťa ju.
Ak vychádzame z čistých kovov, tak v medzivrstve vzniká celá škála fáz oboch kovov, zvyčajne oddelene od zmesi hraničných fáz. Rozdiel v koncentráciách v jednotlivých vrstvách je veľmi rozdielny; rýchlosť difúzie je preto vysoko závislá od štruktúry mriežky. V prípade kontinuálnej série tuhých roztokov závisí rýchlosť difúzie aj od zloženia hmoty; teda difúzia medi do niklu s vysokou teplotou topenia je oveľa pomalšia ako difúzia niklu do medi. V tom istom kove difundujú iné kovy, ako ukázali experimenty Geveza a Septa s olovom, čím rýchlejšie sú vo svojich skupinách v periodickej sústave od seba ďalej (čím ďalej sú vo svojej valencii). Použitím rádioaktívneho izotopu olova možno tiež zistiť, že homogénne atómy si vymieňajú miesta obzvlášť pomaly. Skutočnosť tejto autodifúzie jasne naznačuje pohyb atómov kovov pri vysokých teplotách, na ktorých je založená aj kryštalizácia a rast kryštálov.
Difúzia je (doslova) rozptyl, šírenie, šírenie. Fyzikálne charakterizuje proces prenosu energie alebo hmoty z vysoko koncentrovanej oblasti do oblasti so zníženou koncentráciou. Najčastejším javom, s ktorým je difúzia spojená, je miešanie molekúl plynu (napríklad keď sa vo vzduchu šíri vôňa parfumu) alebo kvapalín. Rovnaký proces možno pozorovať aj v pevných látkach. Napríklad, ak je koniec tyče elektricky nabitý alebo zahrievaný, potom sa teplo (alebo náboj) bude postupne šíriť z horúcej do studenej oblasti. Navyše, ak vezmete kovový predmet, teplo sa rozšíri dostatočne rýchlo a elektriny- okamžite. Ak je tyč vyrobená zo syntetického materiálu, tepelné šírenie bude prebiehať pomaly a elektrické šírenie bude ešte pomalšie. Difúzia pevných látok prebieha ešte nižšou rýchlosťou.
Treba si uvedomiť, že tento pojem (ako mnohé iné) sa dnes používa nielen vo fyzike.
Existuje napríklad taká vec, ako je šírenie inovácií. Ide o proces, ktorým sa v čase uskutočňuje prenos inovácií na podnikateľské subjekty prostredníctvom komunikačných kanálov. V tomto prípade je difúzia šírením informácií, ktorých rýchlosť a forma závisí od Veľký význam majú aj črty vnímania informácií subjektmi vykonávajúcimi ekonomickú činnosť, ako aj ich schopnosť praktické uplatnenie prijaté informácie. S rozšírením inovácie, ktorá už bola raz zvládnutá a aplikovaná v inej oblasti, sa zvyšuje počet spotrebiteľov a výrobcov na nových miestach a v nových podmienkach. Kontinuita procesu tvorí hranice a formy distribúcie inovácií v trhovej ekonomike.
Odborníci upozorňujú, že v kontexte ekonomická aktivita difúzia má cyklický charakter. Zároveň je realizácia celého procesu implementácie, šírenia inovácií rozdelená do určitých etáp: základný a aplikovaný výskum, vývoj a dizajn, konštrukcia, vývoj, ako aj priemyselná produkcia, marketing a predaj.
Kultúrna difúzia je pojem, ktorý sa používa v sociálnej sfére. Charakterizuje proces vzájomného prenikania určitých čŕt z jednej sociálnej skupiny do druhej pri ich kontakte. Zároveň difúzia nesmie zanechať žiadnu stopu na žiadnej z interagujúcich kultúr. Môže sa však stať, že tento prienik vyvolá silný a rovnocenný (alebo jednostranný) vplyv. Kanály, cez ktoré dochádza k šíreniu, sú najmä cestovný ruch, vojna, obchod, vedeckých konferencií, veľtrhy a výstavy, výmena odborníkov a študentov.
Šírenie inovácií v sociálnej sfére sa môže uskutočňovať v dvoch smeroch: horizontálne alebo vertikálne.
Horizontálna penetrácia (medziskupinová difúzia) je zaznamenaná medzi jednotlivcami, skupinami, ktoré majú rovnaké postavenie.
Vertikálne šírenie sa vyskytuje medzi subjektmi s nerovnakým postavením. Tento proces sa nazýva stratifikačná difúzia.
Vyznačuje sa výraznou symbolickou polarizáciou obyvateľstva. Podľa viacerých kulturológov je dnes stredná vrstva považovaná za príklad životného štýlu a štýlu (pre vyššie aj nižšie vrstvy).
Prináša spoločnosti pozitívne aj negatívne vlastnosti. Šírenie vznešených predstáv o živote do strednej a (najmä) nižšej vrstvy teda znamená na jednej strane osvietenie a demokratizáciu ľudu. Na druhej strane vysoká kultúra môže byť v tomto prípade vnímaná primitívne a vulgárne.
Absolútne všetci ľudia počuli o takom koncepte ako difúzia. Toto bola jedna z tém na hodinách fyziky v 7. ročníku. Napriek tomu, že nás tento fenomén obklopuje úplne všade, málokto o ňom vie. Čo to vlastne znamená? Čo je jeho fyzický význam A ako si s ním môžete uľahčiť život? Dnes o tom budeme hovoriť.
V kontakte s
Spolužiaci
Difúzia vo fyzike: definícia
Ide o proces prenikania molekúl jednej látky medzi molekuly inej látky. Zjednodušene možno tento proces nazvať miešaním. Počas tohto zmiešaním dochádza k vzájomnému prenikaniu molekúl látky medzi sebou. Napríklad pri príprave kávy molekuly instantnej kávy prenikajú do molekúl vody a naopak.
Rýchlosť tohto fyzického procesu závisí od nasledujúcich faktorov:
- Teplota.
- Súhrnný stav hmoty.
- Vonkajší vplyv.
Čím vyššia je teplota látky, tým rýchlejšie sa molekuly pohybujú. v dôsledku toho proces miešania prebieha rýchlejšie pri vyšších teplotách.
Súhrnný stav hmoty - najdôležitejším faktorom. V každom stave agregácie sa molekuly pohybujú určitou rýchlosťou.
Difúzia môže prebiehať v nasledujúcich stavoch agregácie:
- Kvapalina.
- Pevné.
S najväčšou pravdepodobnosťou bude mať čitateľ nasledujúce otázky:
- Aké sú príčiny difúzie?
- Kde tečie rýchlejšie?
- Ako sa aplikuje v skutočný život?
Odpovede na ne nájdete nižšie.
Príčiny
Absolútne všetko na tomto svete má svoj vlastný dôvod. A difúzia nie je výnimkou. Fyzici si dobre uvedomujú dôvody jeho výskytu. A ako ich sprostredkovať bežnému človeku?
Určite každý počul, že molekuly sú v neustálom pohybe. Tento pohyb je navyše neusporiadaný a chaotický a jeho rýchlosť je veľmi vysoká. Vďaka tomuto pohybu a neustálej zrážke molekúl dochádza k ich vzájomnému prenikaniu.
Existujú nejaké dôkazy o tomto pohybe? Samozrejme! Pamätáte si, ako rýchlo ste začali cítiť parfum alebo deodorant? A vôňa jedla, ktoré varí vaša mama v kuchyni? Pamätajte si, ako rýchlo príprava čaju alebo kávy. To všetko by nemohlo byť, ak nie pre pohyb molekúl. Dospeli sme k záveru, že hlavným dôvodom difúzie je neustály pohyb molekúl.
Teraz zostáva len jedna otázka – aký je dôvod tohto pohybu? Poháňa ho túžba po rovnováhe. To znamená, že v látke sú oblasti s vysokou a nízkou koncentráciou týchto častíc. A kvôli tejto túžbe sa neustále presúvajú z oblasti vysokej koncentrácie do oblasti nízkej koncentrácie. Sú neustále naraziť do seba a dochádza k vzájomnému prenikaniu.
Difúzia v plynoch
Proces miešania častíc v plynoch je najrýchlejší. Môže sa vyskytnúť tak medzi homogénnymi plynmi, ako aj medzi plynmi s rôznymi koncentráciami.
Živé príklady zo života:
- Osviežovač vzduchu cítite difúziou.
- Cítite vôňu vareného jedla. Všimnite si, že to začnete cítiť okamžite a vôňu osviežovača po niekoľkých sekundách. Je to spôsobené tým, že pri vysokých teplotách je rýchlosť pohybu molekúl väčšia.
- Slzy, ktoré vznikajú pri krájaní cibule. Molekuly cibule sa miešajú s molekulami vzduchu a vaše oči na to reagujú.
Ako prebieha difúzia v kvapalinách?
Difúzia v kvapalinách prebieha pomalšie. Môže to trvať niekoľko minút až niekoľko hodín.
Najjasnejšie príklady zo života:
- Príprava čaju alebo kávy.
- Miešanie vody a manganistanu draselného.
- Príprava roztoku soli alebo sódy.
V týchto prípadoch prebieha difúzia veľmi rýchlo (do 10 minút). Ak však na proces pôsobí vonkajší vplyv, napríklad miešanie týchto roztokov lyžičkou, proces pôjde oveľa rýchlejšie a nebude trvať dlhšie ako jednu minútu.
Difúzia pri miešaní hustejších tekutín bude trvať oveľa dlhšie. Napríklad zmiešanie dvoch tekutých kovov môže trvať niekoľko hodín. Samozrejme, môžete to urobiť za pár minút, ale v tomto prípade sa to ukáže nekvalitná zliatina.
Napríklad difúzia pri miešaní majonézy a kyslej smotany bude trvať veľmi dlho. Ak sa však uchýlite k pomoci vonkajšieho vplyvu, tento proces nebude trvať ani minútu.
Difúzia v pevných látkach: príklady
V pevných látkach vzájomné prenikanie častíc prebieha veľmi pomaly. Tento proces môže trvať niekoľko rokov. Jeho trvanie závisí od zloženia látky a štruktúry jej kryštálovej mriežky.
Experimenty dokazujúce, že existuje difúzia v pevných látkach.
- Prilepenie dvoch dosiek z rôznych kovov. Ak budete tieto dve platne držať blízko seba a pod tlakom, do piatich rokov bude medzi nimi vrstva so šírkou 1 milimeter. Táto malá vrstva bude obsahovať molekuly oboch kovov. Tieto dve dosky sa spoja.
- Na tenký olovený valček je nanesená veľmi tenká vrstva zlata. Potom sa tento dizajn umiestni do pece na 10 dní. Teplota vzduchu v peci je 200 stupňov Celzia. Po rozrezaní tohto valca na tenké kotúče bolo veľmi jasne vidieť, že olovo preniklo do zlata a naopak.
Príklady difúzie v okolitom svete
Ako ste už pochopili, čím tvrdšie médium, tým nižšia je rýchlosť miešania molekúl. Teraz si povedzme, kde z toho v skutočnom živote môžete získať praktické výhody. fyzikálny jav.
Proces difúzie prebieha v našom živote neustále. Aj keď ležíme na posteli, na povrchu plachty zostáva veľmi tenká vrstva našej pokožky. Taktiež absorbuje pot. Práve kvôli tomu sa posteľ zašpiní a treba ju vymeniť.
Takže prejav tohto procesu v každodennom živote môže byť nasledovný:
- Pri natieraní chleba na chlieb sa doň vpije.
- Pri nakladaní uhoriek soľ najprv difunduje vodou a potom slaná voda začína difúzovať s uhorkami. V dôsledku toho získame chutné občerstvenie. Banky treba zrolovať. Je to potrebné, aby sa voda neodparila. Presnejšie povedané, molekuly vody by nemali difundovať s molekulami vzduchu.
- Pri umývaní riadu molekuly vody a saponátu prenikajú do molekúl zvyšných kúskov jedla. To im pomáha zmiznúť z taniera a urobiť ho čistejším.
Prejav difúzie v prírode:
- K procesu oplodnenia dochádza práve vďaka tomuto fyzikálnemu javu. Molekuly vajíčka a spermie difundujú, potom sa objaví embryo.
- Hnojenie pôdy. Použitím určitých chemikálií alebo kompostu sa pôda stáva úrodnejšou. Prečo sa to deje? Pointa je, že molekuly hnojív difundujú s molekulami pôdy. Potom dochádza k procesu difúzie medzi molekulami pôdy a koreňom rastliny. Vďaka tomu bude sezóna plodnejšia.
- Miešanie priemyselného odpadu so vzduchom ho značne znečisťuje. Z tohto dôvodu sa v okruhu jedného kilometra vzduch veľmi znečistí. Jeho molekuly difundujú s molekulami čistého vzduchu zo susedných oblastí. Takto sa zhoršuje ekologická situácia v meste.
Prejav tohto procesu v priemysle:
- Silikónizácia je proces difúzneho nasýtenia kremíkom. Vykonáva sa v plynnej atmosfére. Kremíkom nasýtená vrstva dielu má nie veľmi vysokú tvrdosť, ale vysokú odolnosť proti korózii a zvýšenú odolnosť proti opotrebovaniu v morskej vode, kyseline dusičnej, chlorovodíkovej a sírovej.
- Difúzia v kovoch hrá dôležitú úlohu pri výrobe zliatin. Na získanie kvalitnej zliatiny je potrebné vyrábať zliatiny pri vysokých teplotách a s vonkajším vplyvom. To značne urýchli proces difúzie.
Tieto procesy prebiehajú v rôznych priemyselných odvetviach:
- Elektronické.
- Polovodič.
- Strojárstvo.
Ako viete, proces difúzie môže mať pozitívne aj negatívne účinky na náš život. Musíte byť schopní riadiť svoj život a maximalizovať výhody tohto fyzického javu, ako aj minimalizovať škody.
Teraz viete, čo je podstatou takého fyzického javu, akým je difúzia. Spočíva vo vzájomnom prenikaní častíc v dôsledku ich pohybu. Všetko v živote sa hýbe. Ak ste študent, potom po prečítaní nášho článku určite dostanete známku 5. Veľa šťastia!
Medzi mnohými javmi vo fyzike je proces difúzie jedným z najjednoduchších a najzrozumiteľnejších. Koniec koncov, každé ráno, keď si pripravuje voňavý čaj alebo kávu, má človek možnosť pozorovať túto reakciu v praxi. Poďme sa dozvedieť viac o tomto procese a podmienkach jeho výskytu v rôznych stavoch agregácie.
Čo je difúzia
Toto slovo sa vzťahuje na prienik molekúl alebo atómov jednej látky medzi podobné štruktúrne jednotky inej látky. V tomto prípade je koncentrácia penetračných zlúčenín vyrovnaná.
Tento proces prvýkrát podrobne opísal nemecký vedec Adolf Fick v roku 1855.
Názov tohto termínu bol odvodený z latinského diffusio (interakcia, rozptyl, distribúcia).
Difúzia v kvapaline
Uvažovaný proces môže prebiehať s látkami vo všetkých troch stavoch agregácie: plynnom, kvapalnom a tuhom. Nájsť praktické príklady toto, stačí sa pozrieť do kuchyne.
Jedným z nich je aj boršč varený v sporáku. Vplyvom teploty molekuly glukozínu betanínu (látka, vďaka ktorej má repa takú bohatú šarlátovú farbu) rovnomerne reagujú s molekulami vody a dodávajú jej jedinečný bordový odtieň. Tento prípad je v kvapalinách.
Okrem boršču je tento proces vidieť aj v pohári čaju alebo kávy. Oba tieto nápoje majú taký jednotný sýty odtieň vďaka tomu, že čajové lístky alebo čiastočky kávy, rozpustené vo vode, sa rovnomerne rozprestierajú medzi jej molekulami a farbia ju. Akcia všetkých obľúbených instantných nápojov deväťdesiatych rokov je postavená na rovnakom princípe: Yupi, Invite, Zuko.
Vzájomné prenikanie plynov
Atómy a molekuly prenášajúce zápach sú v aktívnom pohybe a v dôsledku toho sú zmiešané s časticami, ktoré sú už vo vzduchu, a sú pomerne rovnomerne rozptýlené po celom objeme miestnosti.
Ide o prejav difúzie v plynoch. Stojí za zmienku, že k uvažovanému procesu patrí aj samotné vdychovanie vzduchu, ako aj chutná vôňa čerstvo pripraveného boršču v kuchyni.
Difúzia v pevných látkach
Kuchynský stôl, na ktorom stoja kvety, je pokrytý svetlým obrusom. žltá farba. Dostala podobný odtieň vďaka schopnosti difúzie prebiehať v pevných látkach.
Proces dodávania plátna nejakého jednotného odtieňa prebieha v niekoľkých fázach nasledovne.
- Častice žltého pigmentu difundovali v nádrži s farbivom smerom k vláknitému materiálu.
- Potom boli absorbované vonkajším povrchom farbenej látky.
- Ďalším krokom bola opäť difúzia farbiva, tentoraz však do vlákien látky.
- Vo finále látka zafixovala čiastočky pigmentu, čím sa zafarbila.
Difúzia plynov v kovoch
Zvyčajne, keď hovoríme o tomto procese, zvážte interakciu látok v rovnakých agregovaných stavoch. Napríklad difúzia v pevných látkach, pevné látky. Na preukázanie tohto javu sa uskutočňuje experiment s dvoma kovovými platňami pritlačenými k sebe (zlatá a olovená). Vzájomný prienik ich molekúl trvá pomerne dlho (jeden milimeter za päť rokov). Tento proces sa používa na výrobu nezvyčajných šperkov.
Avšak zlúčeniny v rôznych agregovaných stavoch sú tiež schopné difúzie. Napríklad dochádza k difúzii plynov v pevných látkach.
Počas experimentov sa dokázalo, že podobný proces prebieha aj v atómovom stave. Na jeho aktiváciu je spravidla potrebné výrazné zvýšenie teploty a tlaku.
Príkladom takejto difúzie plynov v pevných látkach je vodíková korózia. Prejavuje sa v situáciách, kedy vznikajúce v procese niekt chemická reakcia atómy vodíka (H 2) pod vplyvom vysokých teplôt (od 200 do 650 stupňov Celzia) prenikajú medzi štruktúrne častice kovu.
Okrem vodíka sa v pevných látkach môže vyskytnúť aj difúzia kyslíka a iných plynov. Tento proces, ktorý je pre oko nepostrehnuteľný, prináša veľa škody, pretože kovové konštrukcie sa môžu kvôli nemu zrútiť.
Difúzia kvapalín v kovoch
Avšak nielen molekuly plynu môžu prenikať do pevných látok, ale aj kvapalín. Rovnako ako v prípade vodíka, najčastejšie tento proces vedie ku korózii (ak hovoríme o kovoch).
Klasickým príkladom difúzie kvapaliny v pevných látkach je korózia kovov vplyvom vody (H 2 O) alebo roztokov elektrolytov. Pre väčšinu je tento proces známy skôr pod názvom hrdzavenie. Na rozdiel od vodíkovej korózie sa s ňou v praxi musíme stretnúť oveľa častejšie.
Podmienky pre zrýchlenie difúzie. Difúzny koeficient
Po tom, čo sme sa zaoberali látkami, v ktorých sa môže uvažovaný proces vyskytnúť, stojí za to dozvedieť sa o podmienkach jeho výskytu.
Po prvé, rýchlosť difúzie závisí od stavu agregácie interagujúcich látok. Čím viac sa reakcia vyskytuje, tým je jej rýchlosť pomalšia.
V tomto ohľade bude difúzia v kvapalinách a plynoch vždy aktívnejšia ako v pevných látkach.
Ak sa napríklad kryštáliky manganistanu draselného KMnO 4 (manganistanu draselného) hodia do vody, dodajú jej v priebehu niekoľkých minút krásnu karmínovú farbu. Ak však kryštáliky KMnO 4 posypete na kúsok ľadu a celé to vložíte do mrazničky, po niekoľkých hodinách už nebude manganistan draselný schopný úplne zafarbiť zamrznutú H 2 O.
Z predchádzajúceho príkladu možno vyvodiť ešte jeden záver o podmienkach difúzie. Okrem toho stav agregácie, teplota ovplyvňuje aj rýchlosť vzájomného prenikania častíc.
Aby sme zvážili závislosť posudzovaného procesu od toho, stojí za to dozvedieť sa o takom koncepte, ako je koeficient difúzie. Toto je názov kvantitatívnej charakteristiky jeho rýchlosti.
Vo väčšine vzorcov sa označuje veľkým latinským písmenom D a v sústave SI sa meria v metrov štvorcových za sekundu (m² / s), niekedy v centimetroch za sekundu (cm 2 / m).
Difúzny koeficient sa rovná množstvu hmoty rozptýlenej cez jednotkový povrch za jednotku času za predpokladu, že rozdiel hustôt na oboch povrchoch (umiestnených vo vzdialenosti rovnajúcej sa jednotkovej dĺžke) je rovný jednej. Kritériá, ktoré určujú D, sú vlastnosti látky, v ktorej prebieha samotný proces rozptylu častíc, a ich typ.
Závislosť koeficientu od teploty možno opísať pomocou Arrheniovej rovnice: D = D 0exp (-E/TR).
V uvažovanom vzorci je E minimálna energia potrebná na aktiváciu procesu; T - teplota (meraná v Kelvinoch, nie v stupňoch Celzia); R je charakteristika plynovej konštanty ideálneho plynu.
Okrem všetkého vyššie uvedeného je rýchlosť difúzie v pevných látkach, kvapalinách v plynoch ovplyvnená tlakom a žiarením (indukčným alebo vysokofrekvenčným). Okrem toho veľa závisí od prítomnosti katalytickej látky, ktorá často pôsobí ako spúšťač aktívnej disperzie častíc.
Difúzna rovnica
Tento jav je zvláštnou formou diferenciálnej rovnice s parciálnymi deriváciami.
Jeho cieľom je nájsť závislosť koncentrácie látky od veľkosti a súradníc priestoru (v ktorom difunduje), ako aj od času. V tomto prípade daný koeficient charakterizuje priepustnosť média pre reakciu.
Najčastejšie sa difúzna rovnica zapisuje takto: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .
V ňom φ (t a r) je hustota rozptylového materiálu v bode r v čase t. D (φ, r) je zovšeobecnený difúzny koeficient pri hustote φ v bode r.
∇ je vektorový diferenciálny operátor, ktorého súradnicové zložky sú parciálne derivácie.
Keď je koeficient difúzie závislý od hustoty, rovnica je nelineárna. Keď nie - lineárne.
Po zvážení definície difúzie a vlastností tohto procesu v rôzne prostredia, možno poznamenať, že má pozitívne aj negatívne stránky.
