Диффузия определение. Диффузия в твердых телах, жидкостях и газах: определение, условия
Любой объект или вещество материального мира состоят из мельчайших молекул - и те пребывают в непрерывном движении. В повседневной жизни мы часто наблюдаем процесс смешения некоторых веществ, жидкостей или газов - например, видим, как кофе растворяется в воде, чувствуем, как запах распространяется по комнате, и так далее. Физически эти процессы обусловлены именно смешением молекул двух веществ - и называется такое смешение диффузией .
Диффузия - из-за чего она происходит, и какой бывает?
При температуре окружающей среды выше абсолютного нуля - то есть, при любых условиях на Земле - молекулы веществ непрерывно хаотично двигаются, перемещаются в пространстве, сталкиваются и меняют свое направление. Обусловлено это тем, что все в природе стремится к равновесию.
Если в одном уголке комнаты велика концентрация молекул какого-либо газообразного вещества, то эти молекулы будут стремиться проникнуть в незанятое пространство. А молекулы двух жидкостей, если одновременно налить их в стакан, попытаются занять все доступное место - и соответственно, перемешаются.
Диффузию дополнительно ускоряют внешние воздействия и повышение температуры - при высокой температуре процесс происходит быстрее.
Диффузия и агрегатные состояния тел
Процесс смешения происходит между молекулами практически любых тел и веществ, в каком бы агрегатном состоянии они ни находились. Но конечно, состояние влияет на скорость диффузии.
- Быстрее всего перемешиваются между собой молекулы газов. Этот феномен мы наблюдаем ежедневно, пользуясь освежителем воздуха или готовя вечерний ужин на плите - запахи распространяются по помещению мгновенно.
- Медленнее, чем газы, но все равно быстро, перемешиваются жидкости. Например, холодное молоко растворится в горячем кофе за пару минут, при помешивании - намного быстрее. В школе на уроках физики ученикам демонстрируют эксперимент с медным купоросом - синюю жидкость добавляют в воду, и через несколько дней раствор приобретает равномерный голубоватый оттенок.
- Медленнее всего происходит диффузия в твердых телах. Однако процесс все равно идет, и это неоднократно доказано опытами. Например, если положить друг на друга и плотно прижать два бруска металла, то через несколько лет между ними образуется тонкий слой, в котором молекулы обоих металлов будут перемешаны друг с другом. Диффузия мягких металлов происходит быстрее, твердых - намного медленнее.
В общеобразовательной школе каждый семиклассник обязательно знакомится по физике с различными явлениями, которые можно встретить как в повседневной жизни, так и в промышленных условиях.
Данная статья посвящена диффузии. Изначально этот термин может показаться пугающим, чем-то необычным. На самом деле, он является одним из часто встречающихся явлений, точнее даже сказать, что оно постоянно и всюду имеет место. Давайте с вами рассмотрим, что такое диффузия в физике, заодно приведем множество примеров, которые дадут понять: нет ничего сложного, а тема по школьному предмету довольно простая и интересная.
Определение диффузии
В разных источниках можно встретить разную формулировку, но такую, которая не теряет свой первоначальный смысл.
Диффузия - явление, при котором молекулы одного вещества проникают в молекулы другого вещества. Школьнику может показаться эта фраза слишком непонятной и сложной. Но на самом деле, все достаточно легко. Как известно, молекула - мельчайшая частица любого вещества (она есть даже у воздуха, газа). Каждая молекула соединяется между собой структурными связями. Чем плотнее структура, тем тверже тело. Таким образом, проникновение молекул одного вещества в молекулы другого будет проще в случае, когда структура наиболее простая или же молекулы существуют свободно.
Вот почему так звучит определение. Что такое диффузия в физике? Проще говоря: соединение, проникновение двух веществ друг в друга. В итоге образуется единое целое.
Газ и воздух
Давайте начнем с рассмотрения примеров, посвященных простым молекулярным соединениям как газы. Дело в том, что воздух легче всего поддается изменениям. Например, вы распылили в комнате духи. Моментально или через несколько секунд уже чувствуется аромат. В данном случае мы уже можем ответить на вопрос о том, что такое диффузия.
В физике все вещества подразделяются на три основных состояния:
- газообразное;
- жидкое;
- твердое.
Соответственно, газообразное состояние способно на достаточно быструю реакцию.
Приведем еще пример: запах краски, распространяющейся вокруг во время покраски изделий. Выхлопные газы автомобилей также являются диффузией в окружающей среде, поэтому, к сожалению, страдает экология, загрязнен воздух в больших и маленьких городах.
Стоит отметить, что воздух подвижен, его молекулы постоянно перемещаются. Поэтому диффузия с какими-либо посторонними газообразными веществами происходит постоянно.
Вода
А теперь рассмотрим кратко, что такое диффузия в физике в отношении Представим себе сосуд с водой. В него добавим немного марганцовки или красящего вещества. Процесс можно наблюдать до тех пор, пока вода полностью не окрасится. Следует отметить, что диффузия происходит намного быстрее в горячей воде. Это может продемонстрировать обыкновенная чашка с чаем или кофе. Если в горячую воду добавить сахар, то он быстро растворится. При добавлении сливок в горячий кофе тоже происходит быстрое слияние кофе и воды, а также сливок.
При варке супов, бульонов и соусов тоже наблюдается диффузия. Следует отметить, что термическая обработка пищи (а именно варка) происходит чаще всего именно потому, что нужно соединить одно вещество с другим. Допустим, куриный бульон не получится в холодной воде, ведь мясной сок должен взаимодействовать с горячей водой.
Твердые изделия в промышленности
Существует такое состояние веществ, когда невозможно определить, твердое оно или жидкое. Имеется в виду не самое а совокупность. Например, тесто для блинов, жидкая глина, густые масла. Что такое диффузия в физике по отношению к подобным изделиям? Проникновение молекул также сохранится. Например, при изготовлении сплавов, пластмасс применяются в жидком состоянии различные материалы, которые по своей естественной природе твердые. Но при нагревании они становятся жидкими, их молекулы способны проникать одни в другие, то есть будет диффузия. Таким образом, существует множество прочных стальных, пластиковых изделий, материалов.
Диффузия в твердых телах
Ранее мы рассмотрели определение, что такое диффузия в физике, теперь знаем. Согласно логике, в твердых веществах диффузии быть не может. Отчасти это так. Но есть сведения, что при постоянном хранении вместе некоторых веществ они становятся единым целым.
Например, если вместе поместить в один ящик свинец и золото так, чтобы они были тесно прижаты друг к другу, то примерно через 5 лет они соединятся своими поверхностями. Поэтому, отвечая на вопрос о том, что такое диффузия в физике, будем рассматривать абсолютно все вещества, но только одного состояния.
Химические процессы
В заключение стоит отметить, что явление диффузии изучается и в химии, и даже в биологии. Поэтому с этим термином можно столкнуться не только по физике. Химики в лабораториях постоянно проводят различные опыты, в которых без подобного процесса не обойтись. Но основная тема рассматривается в 7 классе. Что такое диффузия в физике и химии? Это достаточно часто встречающееся явление в природе и в быту, а также при производстве чего-либо.
Диффузией называется процесс переноса вещества из одной части системы в другую в результате беспорядочного движения частиц. Различают следующие виды диффузии:
самодиффузия – диффузия частиц одного вещества, протекающая при отсутствии градиента каких-либо движущих сил;
концентрационная диффузия – перемещение вещества под воздействием градиента концентрации. Эта диффузия называется нисходящей, поскольку вещество перемещается из участков, в которых его концентрация больше, в участки, где его концентрация меньше;
термодиффузия
– перенос вещества под воздействием градиента температур. Термодиффузия обусловлена возникновением градиента химического потенциала диффундирующего вещества в температурном поле. Вещество перемещается из частей системы, в которых его химический потенциал больше,
в части, в которых его химический потенциал меньше. При этом концентрация вещества изменяется в обратном направлении и диффузия называется восходящей;
реактивная диффузия – перемещение вещества в участки системы, где оно образует с другим компонентом раствора химическое соединение, т.е. диффундирующее вещество выводится из исходной фазы в обособленную (например, диффузия углерода в участки образования карбидов, диффузия легирующих элементов – в участки, где образовались интерметаллиды). К реактивной диффузии относится также перераспределение углерода между аустенитным швом и ферритно-перлитным основным металлом: углерод диффундирует в аустенит, в котором его растворимость выше.
Концентрационная диффузия является наиболее простым случаем и наиболее изучена.
Процессы концентрационной диффузии описываются уравнением законов Фика:
где – количество продиффундировавшего вещества; dS – площадь сечения диффузионного потока, dτ – время – градиент концентрации, отрицательный потому, что диффузия идет от большей концентрации к меньшей; D – коэффициент диффузии, .
Закон Фика справедлив для малых концентраций диффундирующего вещества, далеких от концентрации насыщения.
Процесс диффузии аналогичен распределению тепла посредством теплопроводности. Количество вещества соответствует количеству тепла, а концентрация – температуре. Поэтому второй закон диффузии может быть выведен аналогично уравнению теплопроводности:
Уравнение (12) выражает второй закон Фика в самом общем виде в предположении, что коэффициент диффузии зависит от концентрации элемента и различен в различных направлениях. Если считать коэффициент диффузии не зависящим от концентрации, а тело – изотропным, т.е. полагать, что 
, то выражение (12) упростится:
(13)
, (14)
где 
.
В простейшем случае линейной диффузии по оси х, когда концентрация по оси y и z постоянна, и . Для этого случая получим
. (15)
Интегрирование уравнения (15) дает зависимость концентрации диффундирующего вещества от координаты х и времени τ:
, (16)
где 
– функция Крампа от аргумента ; её можно найти по таблице для заданных значений х; D; τ.
Расчет развития диффузионных процессов на основании второго закона Фика сохраняется для жидких и твердых сред, но коэффициенты диффузии будут значительно меньше, чем для газообразных систем.
Для газообразных систем коэффициенты диффузии вычисляются на основании кинетической теории газов:
где λ – длина свободного пробега; – средняя скорость движения газовых молекул.
Коэффициенты диффузии в жидкостях могут быть рассчитаны по уравнению Стокса:
, (18)
где k – постоянная Больцмана; Т – температура; η – коэффициент вязкости среды; r – радиус частицы.
Коэффициент диффузии в жидкостях на несколько порядков меньше, чем в газах. Для твердых кристаллических тел коэффициенты диффузии еще меньше.
Коэффициент диффузии значительно меняется в зависимости от температуры процесса, концентрации диффундирующего вещества, свойств среды, наличия в сплаве третьего компонента.
Диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации)
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 диффузия частиц играет в физике плазмы.
Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность, вязкое трение и т.п.
Рис.
Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.
Физический смысл явления диффузия
Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10°C вместо 5°C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов - электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.
Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000°C.
Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235U от основной массы 238U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.
Уравнение Фика.
С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала:
В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то вышеприведённую формулу можно заменить на следующую:
которая показывает, что плотность потока вещества J пропорциональна коэффициенту диффузии D [()] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика (Адольф Фик - немецкий физиолог, установивший законы диффузии в 1855 г.). Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):
Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса.
Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера-Планка. Процессы диффузии имеют большое значение в природе:
Питание, дыхание животных и растений;
Проникновение кислорода из крови в ткани человека.
Геометрическое описание уравнения Фика.
Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения температуры во времени, а в правой части уравнения - вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение температур, в частности, выпуклость функции распределения температур, проецируемую на ось х.
ДИФФУЗИЯ -и; ж. [от лат. diffusio - распространение, растекание] 1. Физ. Взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового перемещения частиц вещества. Д. газов. Д. жидкостей. 2. Взаимопроникновение, взаимообмен чем-л. Толковый словарь Кузнецова