Definiția difuziei. Difuzia în solide, lichide și gaze: definiție, condiții
Orice obiect sau substanță din lumea materială constă din cele mai mici molecule - și sunt în continuă mișcare. V Viata de zi cu zi observăm adesea procesul de amestecare a anumitor substanțe, lichide sau gaze - de exemplu, vedem cum se dizolvă cafeaua în apă, simțim cum se răspândește mirosul în cameră și așa mai departe. Fizic, aceste procese sunt cauzate tocmai de amestecarea moleculelor a două substanțe - și acest amestec se numește difuzie.
Difuzarea - ce o provoacă și ce se întâmplă?
La o temperatură ambientală peste zero absolut - adică în orice condiții de pe Pământ - moleculele substanțelor se mișcă continuu haotic, se mișcă în spațiu, se ciocnesc și își schimbă direcția. Acest lucru se datorează faptului că totul în natură se străduiește să ajungă la echilibru.
Dacă într-un colț al camerei există o concentrație mare de molecule din orice substanță gazoasă, atunci aceste molecule vor tinde să pătrundă în spațiul neocupat. Iar moleculele a două lichide, dacă sunt turnate într-un pahar în același timp, vor încerca să ocupe tot spațiul disponibil - și, în consecință, se vor amesteca.
Difuzarea este accelerată în continuare de influențe externe și de o creștere a temperaturii - la temperaturi ridicate procesul este mai rapid.
Difuzare și stări de agregare a corpurilor
Procesul de amestecare are loc între moleculele practic oricăror corpuri și substanțe, indiferent de starea de agregare. Dar, desigur, statul afectează rata de difuzie.
- Moleculele de gaz se amestecă cel mai rapid între ele. Observăm acest fenomen în fiecare zi, folosind un odorizant de aer sau pregătind o cină de seară pe aragaz - mirosurile se răspândesc instantaneu în cameră.
- Mai lent decât gazele, dar totuși rapid, lichidele sunt amestecate. De exemplu, laptele rece se va dizolva în cafeaua fierbinte în câteva minute, în timp ce amestecând se va dizolva mult mai repede. La școală, în lecțiile de fizică, elevilor li se arată un experiment cu sulfat de cupru - se adaugă un lichid albastru în apă, iar după câteva zile soluția capătă o nuanță albăstruie uniformă.
- Cea mai lentă difuzie are loc în solide... Cu toate acestea, procesul este încă în desfășurare și acest lucru a fost dovedit în mod repetat prin experimente. De exemplu, dacă puneți două bare de metal una peste alta și apăsați strâns, atunci după câțiva ani se va forma un strat subțire între ele, în care moleculele ambelor metale vor fi amestecate între ele. Difuzarea metalelor moi este mai rapidă, a metalelor dure mult mai lentă.
V școală cuprinzătoare fiecare elev de clasa a șaptea este sigur că va cunoaște în fizică diverse fenomene care pot fi găsite atât în viața de zi cu zi, cât și în condițiile industriale.
Acest articol este despre difuzie. Inițial, acest termen poate părea intimidant, oarecum neobișnuit. De fapt, este unul dintre fenomenele care apar frecvent, sau mai bine zis, chiar să spunem că are loc în mod constant și peste tot. Să ne uităm la ce este difuzia în fizică, în același timp vom da multe exemple care vor clarifica: nu este nimic complicat, iar subiectul dintr-o disciplină școlară este destul de simplu și interesant.
Definiția diffusion
În diferite surse, puteți găsi formulări diferite, dar una care nu își pierde sensul original.
Difuzia este un fenomen în care moleculele unei substanțe pătrund în moleculele altei substanțe. Un școlar poate găsi această frază prea neînțeleasă și complicată. Dar, de fapt, totul este destul de ușor. După cum știți, o moleculă este cea mai mică particulă din orice substanță (chiar și aerul, gazul o are). Fiecare moleculă este legată prin legături structurale. Cu cât structura este mai densă, cu atât corpul este mai greu. Astfel, pătrunderea moleculelor unei substanțe în moleculele alteia va fi mai ușoară în cazul în care structura este cea mai simplă sau moleculele există liber.
Acesta este motivul pentru care definiția sună așa. Ce este difuzia în fizică? Pur și simplu: conexiune, pătrunderea a două substanțe una în cealaltă. Ca rezultat, se formează un singur întreg.
Gaz și aer
Să începem prin a analiza exemple de compuși moleculari simpli precum gazele. Faptul este că aerul este cel mai ușor de schimbat. De exemplu, ai pulverizat parfum într-o cameră. Imediat sau după câteva secunde, aroma se simte deja. În acest caz, putem răspunde deja la întrebarea care este difuzia.
În fizică, toate substanțele sunt împărțite în trei stări principale:
- gazos;
- lichid;
- solid.
În consecință, starea gazoasă este capabilă de o reacție destul de rapidă.
Iată un alt exemplu: mirosul de vopsea care se răspândește în timpul pictării produselor. Gazele de eșapament de la mașini sunt, de asemenea, difuzate în mediu inconjurator, prin urmare, din păcate, ecologia suferă, aerul este poluat în orașe.
Trebuie remarcat faptul că aerul este mobil, moleculele sale se mișcă constant. Prin urmare, difuzia cu orice substanțe gazoase străine are loc în mod constant.
Apă
Acum să analizăm pe scurt ce este difuzia în fizică în legătură cu Imaginați-vă un vas cu apă. Adăugați puțin permanganat de potasiu sau vopsea. Procesul poate fi observat până când apa este complet colorată. Trebuie remarcat faptul că difuzia are loc mult mai repede în apa fierbinte. Acest lucru poate fi demonstrat de o ceașcă obișnuită de ceai sau cafea. Dacă intră apa fierbinte se adauga zahar, se va dizolva rapid. Adăugarea de cremă la cafeaua fierbinte îmbină rapid cafeaua și apa, precum și crema.
Difuzia se observă și la gătitul supelor, bulionelor și sosurilor. Trebuie remarcat faptul că tratamentul termic al alimentelor (și anume gătitul) are loc cel mai adesea tocmai pentru că este necesar să se combine o substanță cu alta. Să presupunem că bulionul de pui nu va funcționa în apă rece, deoarece sucul de carne trebuie să interacționeze cu apa fierbinte.
Produse solide în industrie
Există o stare a materiei când este imposibil să se determine dacă este solidă sau lichidă. Aceasta nu înseamnă întregul, ci totalitatea. De exemplu, aluatul pentru clatite, argila lichida, uleiurile groase. Ce este difuzia în fizică în raport cu produse similare? Penetrarea moleculară va continua, de asemenea. De exemplu, la fabricarea aliajelor se utilizează materiale plastice stare lichida diverse materiale care sunt solide în mod natural. Dar atunci când sunt încălzite, devin lichide, moleculele lor sunt capabile să pătrundă una în alta, adică va exista difuzie. Astfel, există multe oțel durabil, produse din plastic, materiale.
Difuzie în solide
Anterior am analizat definiția a ceea ce este difuzia în fizică, acum știm. Conform logicii, nu poate exista difuzie în solide. Acest lucru este parțial adevărat. Dar există dovezi că, cu stocarea constantă a unor substanțe împreună, acestea devin un singur întreg.
De exemplu, dacă plumbul și aurul sunt așezate împreună într-o singură cutie, astfel încât să fie strâns lipite una de cealaltă, atunci după aproximativ 5 ani se vor conecta cu suprafețele lor. Prin urmare, răspunzând la întrebarea ce este difuzia în fizică, vom lua în considerare absolut toate substanțele, dar numai o singură stare.
Procese chimice
În concluzie, trebuie remarcat faptul că fenomenul difuziei este studiat în chimie și chiar în biologie. Prin urmare, acest termen poate fi întâlnit nu numai în fizică. Chimiștii din laboratoare desfășoară în mod constant diferite experimente, în cadrul cărora nu se poate renunța la un astfel de proces. Dar subiectul principal este abordat în clasa a 7-a. Ce este difuzia în fizică și chimie? Acesta este un fenomen destul de comun în natură și în viața de zi cu zi, precum și în producția de ceva.
Prin difuzie se numește procesul de transfer al materiei dintr-o parte a sistemului în alta ca urmare a mișcării aleatorii a particulelor. Se disting următoarele tipuri de difuzie:
autodifuzie- difuzia particulelor dintr-o substanță, care are loc în absența unui gradient al oricărei forțe motrice;
difuzia concentrației- deplasarea unei substanțe sub influența unui gradient de concentrație. Această difuzie se numește difuzie descendentă, deoarece substanța se deplasează din zone în care concentrația sa este mai mare, în zone în care concentrația sa este mai mică;
difuzie termică- transferul materiei sub influența unui gradient de temperatură. Difuzia termică este cauzată de apariția unui gradient al potențialului chimic al unei substanțe difuzoare într-un câmp de temperatură. O substanță se deplasează din părți ale sistemului în care potențialul său chimic este mai mare,
în părți în care potențialul său chimic este mai mic. În acest caz, concentrația substanței se schimbă în direcția opusă și difuzie se numește ascendentă;
difuzie reactivă- deplasarea unei substanțe către părți ale sistemului, unde formează un compus chimic cu o altă componentă a soluției, adică substanța difuzantă este îndepărtată din faza inițială într-o fază separată (de exemplu, difuzia carbonului în regiunile de formare a carburilor, difuzarea elementelor de aliere în regiunile în care s-au format compuși intermetalici). Difuzia reactivă include, de asemenea, redistribuirea carbonului între sudura de austenită și metalul de bază ferită-perlită: carbonul se difuzează în austenită, în care solubilitatea sa este mai mare.
Difuzia concentrației este cel mai simplu caz și cel mai studiat.
Procesele de difuzie a concentrației sunt descrise de ecuația legilor lui Fick:
unde este cantitatea de substanță difuză; dS - aria secțiunii transversale a fluxului de difuzie, dτ - timp - gradient de concentrație, negativ, deoarece difuzia se desfășoară de la o concentrație mai mare la una inferioară; D este coeficientul de difuzie ,.
Legea lui Fick este valabilă pentru concentrații scăzute ale substanței difuzoare, departe de concentrația de saturație.
Procesul de difuzie este analog cu distribuția căldurii prin conducție. Cantitatea de substanță corespunde cantității de căldură, iar concentrația corespunde temperaturii. Prin urmare, a doua lege a difuziei poate fi derivată în mod similar cu ecuația conducerii căldurii:
Ecuația (12) exprimă a doua lege a lui Fick în forma sa cea mai generală, presupunând că coeficientul de difuzie depinde de concentrația elementului și este diferit în direcții diferite. Dacă se presupune că coeficientul de difuzie este independent de concentrație, iar corpul este considerat izotrop, adică crede asta 
, atunci expresia (12) va fi simplificată:
(13)
, (14)
Unde 
.
În cel mai simplu caz de difuzie liniară de-a lungul axei x, atunci când concentrația de-a lungul axelor y și z este constantă și. Pentru acest caz, obținem
. (15)
Integrarea ecuației (15) oferă dependența concentrației substanței difuzoare de coordonata x și timpul τ:
, (16)
Unde 
- Funcția Crump din argument; poate fi găsit în tabel pentru valorile date de x; D; τ.
Calculul dezvoltării proceselor de difuzie pe baza celei de-a doua legi a lui Fick este păstrat pentru mediile lichide și solide, dar coeficienții de difuzie vor fi mult mai mici decât pentru sistemele gazoase.
Pentru sistemele gazoase, coeficienții de difuzie sunt calculați pe baza teoriei cinetice a gazelor:
unde λ este calea liberă; - viteza medie de deplasare a moleculelor de gaz.
Coeficienții de difuzie în lichide pot fi calculați utilizând ecuația Stokes:
, (18)
unde k este constanta Boltzmann; T este temperatura; η este coeficientul de vâscozitate al mediului; r este raza particulei.
Coeficientul de difuzie în lichide este cu câteva ordine de mărime mai mic decât în gaze. Pentru corpurile cristaline solide, coeficienții de difuzie sunt chiar mai mici.
Coeficientul de difuzie variază semnificativ în funcție de temperatura procesului, de concentrația substanței difuzoare, de proprietățile mediului și de prezența unui al treilea component în aliaj.
Difuzia (latină diffusio - răspândirea, răspândirea, împrăștierea, interacțiunea) este procesul de penetrare reciprocă a moleculelor unei substanțe între moleculele alteia, ducând la egalizarea spontană a concentrațiilor acestora pe tot volumul ocupat. În unele situații, una dintre substanțe are deja o concentrație egalizată și vorbesc despre difuzia unei substanțe în alta. În acest caz, transferul materiei are loc dintr-o zonă cu o concentrație ridicată într-o zonă cu o concentrație scăzută (în raport cu gradientul de concentrație)
Un exemplu de difuzie este amestecul de gaze (de exemplu, răspândirea mirosurilor) sau lichide (dacă cerneala este aruncată în apă, atunci lichidul va deveni uniform colorat după un timp). Un alt exemplu este asociat cu un solid: atomii metalelor în contact, difuzia particulelor joacă în fizica plasmei.
De obicei, difuziunea este înțeleasă ca procese însoțite de transferul materiei, dar uneori alte procese de transfer sunt numite și difuzie: conductivitate termică, frecare vâscoasă etc.
Orez.
Viteza de difuzie depinde de mulți factori. Astfel, în cazul unei tije metalice, difuzia termică are loc foarte repede. Dacă tija este realizată din material sintetic, difuzia termică este lentă. Difuzarea moleculelor în cazul general se desfășoară și mai lent. De exemplu, dacă un cub de zahăr este coborât la fundul unui pahar cu apă și apa nu este agitată, atunci vor trece câteva săptămâni înainte ca soluția să devină omogenă. Difuzia unui solid în altul are loc și mai lent. De exemplu, dacă cuprul este acoperit cu aur, atunci va avea loc difuzia aurului în cupru, dar în condiții normale (temperatura camerei și presiunea atmosferică), stratul portant de aur va atinge o grosime de câțiva microni numai după câteva mii de ani.
Sensul fizic al fenomenului de difuzie
Toate tipurile de difuzie respectă aceleași legi. Viteza de difuzie este proporțională cu aria secțiunii transversale a probei, precum și diferența de concentrații, temperaturi sau sarcini (în cazul unor valori relativ mici ale acestor parametri). Astfel, căldura se va răspândi de patru ori mai repede printr-o tijă cu diametrul de doi centimetri decât printr-o tijă cu diametrul de un centimetru. Această căldură se va răspândi mai repede dacă diferența de temperatură pe centimetru este de 10 ° C în loc de 5 ° C. Rata de difuzie este, de asemenea, proporțională cu parametrul care caracterizează un anumit material. În cazul difuziei termice, acest parametru se numește conductivitate termică, în cazul fluxului sarcini electrice- conductivitate electrică. Cantitatea de materie care difuzează într-un anumit timp și distanța parcursă de materia difuză sunt proporționale cu rădăcina pătrată a timpului de difuzie.
Difuzia este un proces la nivel molecular și este determinat de natura aleatorie a mișcării moleculelor individuale. Viteza de difuzie este deci proporțională cu viteza moleculară medie. În cazul gazelor, viteza medie a moleculelor mici este mai mare, și anume este invers proporțională cu rădăcina pătrată a masei moleculare și crește odată cu creșterea temperaturii. Procese de difuzie în solide la temperaturi mari de multe ori găsesc uz practic... De exemplu, anumite tipuri de tuburi cu raze catodice (CRT) utilizează toriu metalic difuzat prin tungsten metalic la 2000 ° C.
Dacă într-un amestec de gaze masa unei molecule este de patru ori mai mare decât cealaltă, atunci o astfel de moleculă se mișcă de două ori mai lent decât în comparație cu mișcarea sa într-un gaz pur. În consecință, viteza sa de difuzie este, de asemenea, mai mică. Această diferență în ratele de difuzie a moleculelor ușoare și grele este utilizată pentru separarea substanțelor cu greutăți moleculare diferite. Separarea izotopilor este un exemplu. Dacă un gaz care conține doi izotopi este trecut printr-o membrană poroasă, izotopii mai ușori pătrund în membrană mai repede decât cele mai grele. Pentru o mai bună separare, procesul se desfășoară în mai multe etape. Acest proces a fost utilizat pe scară largă pentru separarea izotopilor de uraniu (separarea a 235U de masa principală a 238U). Deoarece această metodă de separare consumă multă energie, au fost dezvoltate alte metode de separare mai economice. De exemplu, utilizarea difuziei termice într-un mediu gazos este dezvoltată pe scară largă. Un gaz care conține un amestec de izotopi este plasat într-o cameră în care se menține o diferență de temperatură spațială (gradient). În acest caz, izotopii grei se concentrează în cele din urmă în regiunea rece.
Ecuația lui Fick.
Din punct de vedere al termodinamicii, potențialul de conducere al oricărui proces de nivelare este creșterea entropiei. La presiune și temperatură constante, rolul unui astfel de potențial este jucat de potențialul chimic µ, care determină menținerea fluxurilor de material. Fluxul de particule de materie este proporțional cu gradientul potențial:
În cele mai multe cazuri practice, în locul potențialului chimic, se folosește concentrația C. Înlocuirea directă a lui µ cu C devine incorectă în cazul concentrațiilor mari, deoarece potențialul chimic este legat de concentrația conform legii logaritmice. Dacă nu luați în considerare astfel de cazuri, atunci formula de mai sus poate fi înlocuită cu următoarea:
ceea ce arată că densitatea fluxului de substanță J este proporțională cu coeficientul de difuzie D [()] și cu gradientul de concentrație. Această ecuație exprimă prima lege a lui Fick (Adolf Fick este un fiziolog german care a stabilit legile difuziei în 1855). A doua lege a lui Fick conectează schimbările spațiale și temporale ale concentrației (ecuația difuziei):
Coeficientul de difuzie D este dependent de temperatură. În unele cazuri, într-un interval larg de temperatură, această dependență este ecuația Arrhenius.
Un câmp suplimentar aplicat paralel cu gradientul de potențial chimic încalcă starea de echilibru. În acest caz, procesele de difuzie sunt descrise prin ecuația Fokker-Planck neliniară. Procesele de difuzie au o mare importanță în natură:
Nutriția, respirația animalelor și plantelor;
Pătrunderea oxigenului din sânge în țesutul uman.
Descrierea geometrică a ecuației Fick.
În a doua ecuație Fick, în partea stângă este rata de schimbare a temperaturii în timp, iar în partea dreaptă a ecuației este a doua derivată parțială, care exprimă distribuția spațială a temperaturilor, în special convexitatea distribuției temperaturii. funcție proiectată pe axa x.
DIFUZARE -și; f. [din lat. diffusio - răspândire, răspândire] 1. Phys. Pătrunderea reciprocă a substanțelor care se contactează una din cealaltă datorită mișcării termice a particulelor substanței. D. gaze. D. lichide. 2. Interpenetrare, schimb de smth. Dicționar explicativ Kuznetsova