Дифузія в твердих тілах, рідинах і газах: визначення, умови

Серед численних явищ у фізиці процесдифузії відноситься до одних з найбільш простих і зрозумілих. Адже щоранку, готуючи собі ароматний чай або каву, чоловік має можливість спостерігати цю реакцію на практиці. Давайте дізнаємося більше про цей процес і умови його протікання в різних агрегатних станах.

Що таке дифузія

Даним словом іменується проникнення молекул або атомів однієї речовини між аналогічними структурними одиницями іншого. При цьому концентрація проникаючого з'єднань вирівнюється.

Вперше цей процес був детально описаний німецьким вченим Адольфом Фіком в 1855 р

Назва даного терміна було утворено від латинського отглагольного іменника diffusio (взаємодія, розсіювання, поширення).

Дифузія в рідини

Розглянутий процес може відбуватися з речовинами у всіх трьох агрегатних станах: газоподібному, рідкому і твердому. Щоб відшукати практичні приклади цього, варто просто заглянути на кухню.

Вариться на плиті борщ - це один з них. Під дією температури молекули глюкозінбетаніна (речовини, завдяки якому буряк володіє таким насиченим червоним кольором) рівномірно реагують з молекулами води, надаючи їй неповторний бордовий відтінок. Даний випадок - це приклад дифузії в рідинах.

Крім борщу, даний процес можна побачити і всклянці чаю або кави. Обидва ці напою мають настільки рівномірний насичений відтінок завдяки тому, що заварка або частинки кави, розчиняючись у воді, рівномірно поширюються між її молекулами, фарбуючи її. На цьому ж принципі побудовано дію всіх популярних розчинних напоїв дев'яностих: Yupi, Invite, Zuko.

взаємопроникнення газів

Продовжуючи далі шукати прояви даного процесу на кухні, варто принюхуватися і насолодитися приємним ароматом, що походить від букета свіжих квітів на обідньому столі. Чому так відбувається?

Атоми і молекули, які переносять запах, знаходяться в активному русі і внаслідок нього перемішуються з частинками, вже містяться в повітрі, і досить рівномірно розсіюються в об'ємі приміщення.

Це прояв дифузії в газах. Варто відзначити, що саме вдихання повітря теж відноситься до розглянутого процесу, як і апетитний запах свіжоприготованого борщу на кухні.

Дифузія в твердих тілах

Кухонний стіл, на якому стоять квіти, застелений скатертиною яскравого жовтого кольору. Подібний відтінок вона отримала завдяки здатності дифузії проходити в твердих тілах.

Сам процес надання полотну якогось рівномірного відтінку проходить в кілька етапів наступним чином.

1. Частинки жовтого пігменту дифундувати в фарбувальної ємності у напрямку до волокнистому матеріалу.
2. Далі вони були ввібрані зовнішньою поверхнею фарбується тканини.
3. Наступним кроком була знову дифузія барвника, але на цей раз вже всередину волокон полотна.
4. У фіналі тканину зафіксувала частинки пігменту, таким чином забарвлення.

Диффундирования газів в металах

Зазвичай, говорячи про цей процес, розглядаютьвзаємодії речовин в однакових агрегатних станах. Наприклад, дифузія в твердих тілах, твердих речовинах. Для доказу цього явища проводиться досвід з двома притиснутими один до одного металевими пластинами (золото і свинець). Взаємопроникнення їх молекул відбувається досить довго (один міліметр за п'ять років). Цей процес використовується для виготовлення незвичайних прикрас.

Однак дифундувати здатні і з'єднання в різних агрегатних станах. Наприклад, існує дифузія газів в твердих тілах.

В процесі експериментів було доведено, що подібний процес протікає в атомарному стані. Для його активації, як правило, потрібно значно підвищення температури і тиску.

Прикладом такої газової дифузії в твердих тілах є воднева корозія. Вона проявляється в ситуаціях, коли виникли в процесі якої-небудь хімічної реакції атоми водню (Н₂) Під дією високих температур (від 200 до 650 градусів Цельсія) проникають між структурними частинками металу.

Крім водню, в твердих тілах дифузіякисню та інших газів також здатна відбуватися. Цей непомітний для ока процес приносить чимало шкоди, адже через нього можуть руйнуватися металеві споруди.

Диффундирования рідин в металах

Однак не тільки молекули газів можуть проникати в тверді тіла, але і рідин. Як і у випадку з воднем, найчастіше такий процес призводить до корозії (якщо мова йде про металах).

Класичним прикладом дифузії рідини в твердих тілах є корозія металів під впливом води (Н₂О) або розчинів електролітів. Для більшості цей процес більш знаком під назвою іржавіння. На відміну від водневої корозії, на практиці з ним доводиться стикатися значно частіше.

Умови прискорення дифузії. коефіцієнт дифузії

Розібравшись з тим, в яких речовинах може відбуватися розглянутий процес, варто дізнатися про умови його протікання.

В першу чергу швидкість дифузії залежить відтого, в якому агрегатному стані перебувають взаємодіючі речовини. Чим більше щільність матеріалу, в якому відбувається реакція, тим повільніше її швидкість.

У зв'язку з цим дифузія в рідинах і газах завжди буде проходити більш активно, ніж в твердих тілах.

Наприклад, якщо кристали перманганату калію KMnO_{4 (}марганцівка₎ кинути в воду, вони протягом декількох хвилин додадуть їй красивий малиновий колір. Однак якщо посипати кристалами KMnO₄ шматочок льоду і покласти все це в морозилку, після декількох годин перманганат калію так і не зможе повноцінно забарвити заморожену Н₂О.

З попереднього прикладу можна зробити ще один висновок про умови дифузії. Крім агрегатного стану, на швидкість взаємопроникнення часток впливає також і температура.

Щоб розглянути залежність від неї розглянутого процесу, варто дізнатися про таке поняття, як коефіцієнт дифузії. Так називається кількісна характеристика її швидкості.

У більшості формул вона позначається за допомогою великої латинської літери D і в системі СІ вимірюється в квадратних метрах на секунду (м² / с), іноді - в сантиметрах за секунду (см²/ М).

Коефіцієнт дифузії дорівнює кількості речовини,розсіюється через одиницю поверхні протягом одиниці часу, за умови, що різниця щільності на обох поверхнях (розташованих на відстані рівному одиниці довжини) дорівнює одиниці. Критерії, що визначають D, - це властивості речовини, в якому відбувається сам процес розсіювання частинок, і їх тип.

Залежність коефіцієнта від температури можна описати за допомогою рівняння Арреніуса: D = D_0exp(-E / TR).

У розглянутій формулі Е - мінімальна енергія, необхідна для активації процесу; Т - температура (вимірюється за Кельвіном, а не Цельсієм); R - постійна газова, характерна для ідеального газу.

Крім усього перерахованого вище, на швидкістьдифузії в твердих тілах, рідини в газах впливає тиск і випромінювання (індукційне або високочастотне). Крім того, багато що залежить від наявності каталізує речовини, часто саме воно виступає в ролі пускового механізму для початку активного розсіювання частинок.

рівняння дифузії

Дане явище - приватний вид рівняння диференціального при приватних похідних.

Його мета - відшукати залежність концентраціїречовини від розмірів і координат простору (в якому воно дифундує), а також часу. При цьому заданий коефіцієнт характеризує проникність середовища для реакції.

Найчастіше рівняння дифузії записують наступним чином: ∂φ (r, t) / ∂t = ∇ x [D (φ, r) ∇ φ (r, t)].

У ньому φ (t і r) - щільність розсіюється речовини в точці r під час t. D (φ, r) - дифузії узагальнений коефіцієнт при щільності φ в точці r.

∇ - векторний диференційний оператор, компоненти якого за координатами відносяться до приватних похідних.

Коли коефіцієнт дифузії залежимо від щільності, рівняння є нелінійним. Коли немає - лінійним.

Розглянувши визначення дифузії і особливості даного процесу в різних середовищах, можна відзначити, що він має як позитивні, так і негативні сторони.