Сред многобройните явления във физиката, процесът на дифузия е един от най-простите и разбираеми. В края на краищата, всяка сутрин, приготвяйки си ароматен чай или кафе, човек има възможност да наблюдава тази реакция на практика. Нека научим повече за този процес и условията за възникването му в различни агрегатни състояния.
Какво е дифузия
Тази дума се отнася до проникването на молекули или атоми на едно вещество между подобни структурни единици на друго. В този случай концентрацията на проникващи съединения се изравнява.
Този процес е описан за първи път подробно от немския учен Адолф Фик през 1855 г.
Името на този термин е образувано от латинското глаголно съществително diffusio (взаимодействие, дисперсия, разпределение).
Дифузия в течност
Разглежданият процес може да се случи с вещества и в трите агрегатни състояния: газообразно, течно и твърдо. За практически примери за това просто вижтекухня.
Борш, сварен на печка, е един от тях. Под влияние на температурата молекулите на глюкозин бетанин (вещество, поради което цвеклото има толкова наситен алеен цвят) реагират равномерно с водните молекули, придавайки му уникален бургундски оттенък. Този случай е пример за дифузия в течности.
Освен борш, този процес може да се види и в чаша чай или кафе. И двете напитки имат толкова еднакъв наситен нюанс поради факта, че чаените листа или частиците кафе, разтворени във вода, се разпределят равномерно между молекулите му, оцветявайки го. Действието на всички популярни разтворими напитки от деветдесетте е изградено на същия принцип: Yupi, Invite, Zuko.
Взаимопроникване на газове
Продължавайки да търсим по-нататък прояви на въпросния процес в кухнята, си струва да подушите и да се насладите на приятния аромат, излъчващ се от букет свежи цветя на масата за хранене. Защо се случва това?
Атомите и молекулите, носещи миризма, са в активно движение и в резултат на това се смесват с частици, които вече са във въздуха, и са доста равномерно разпръснати в обема на помещението.
Това е проява на дифузия в газове. Струва си да се отбележи, че самото вдишване на въздух също принадлежи към разглеждания процес, както и апетитната миризма на прясно сготвен борш в кухнята.
Дифузия в твърди вещества
Кухненската маса с цветя е покрита с ярко жълта покривка. Тя получи подобен нюанс благодарение наспособността на дифузията да преминава през твърди вещества.
Процесът на придаване на еднаква сянка на платното протича на няколко етапа, както следва.
- Частици жълт пигмент, разпръснати в резервоара за мастило към влакнестия материал.
- След това те се абсорбират от външната повърхност на боядисаната тъкан.
- Следващата стъпка беше отново да се разпръсне боята, но този път във влакната на мрежата.
- На финала тъканта фиксира пигментните частици, като по този начин се оцветява.
Дифузия на газове в метали
Обикновено, говорейки за този процес, разглеждаме взаимодействието на вещества в едно и също агрегатно състояние. Например, дифузия в твърди вещества, твърди вещества. За доказване на това явление се провежда експеримент с две метални пластини, притиснати една към друга (злато и олово). Взаимното проникване на техните молекули отнема доста дълго време (един милиметър на пет години). Този процес се използва за направата на необичайни бижута.
Въпреки това, съединенията в различни агрегатни състояния също са способни да дифундират. Например има дифузия на газове в твърди тела.
По време на експериментите беше доказано, че такъв процес протича в атомно състояние. За да го активирате, по правило се нуждаете от значително повишаване на температурата и налягането.
Пример за такава газообразна дифузия в твърди вещества е водородната корозия. Проявява се в ситуации, в коитоВодородните атоми (Н2), възникнали в хода на някаква химична реакция под въздействието на високи температури (от 200 до 650 градуса по Целзий), проникват между структурните частици на метала.
В допълнение към водорода, дифузия на кислород и други газове може да се случи и в твърдите тела. Този процес, незабележим за окото, причинява много вреда, тъй като металните конструкции могат да се срутят заради него.
Дифузия на течности в метали
Въпреки това, не само газовите молекули могат да проникнат в твърди вещества, но и в течности. Както и в случая с водорода, най-често този процес води до корозия (когато става въпрос за метали).
Класически пример за дифузия на течности в твърди вещества е корозията на метали под въздействието на вода (H2O) или електролитни разтвори. За повечето този процес е по-познат под името ръждясване. За разлика от водородната корозия, на практика тя трябва да се среща много по-често.
Условия за ускоряване на дифузията. Коефициент на дифузия
След като се справихме с веществата, в които може да възникне разглежданият процес, си струва да научим за условията за неговото възникване.
На първо място, скоростта на дифузия зависи от агрегатното състояние на взаимодействащите вещества. Колкото по-голяма е плътността на материала, в който протича реакцията, толкова по-бавна е нейната скорост.
В това отношение дифузията в течности и газове винаги ще бъде по-активна, отколкото в твърди вещества.
Например, ако кристалитекалиев перманганат KMnO4 (калиев перманганат) хвърлете във вода, те ще му придадат красив малинов цвят след няколко минути Цвят. Въпреки това, ако поръсите кристали KMnO4 върху парче лед и го поставите във фризера, след няколко часа, калиев перманганат ще не можете да оцветите напълно замразения H 2O.
От предишния пример може да се направи още един извод за условията на дифузия. В допълнение към състоянието на агрегиране, температурата също влияе върху скоростта на взаимно проникване на частиците.
За да разгледаме зависимостта на разглеждания процес от него, си струва да научим за такова понятие като коефициент на дифузия. Това е името на количествената характеристика на неговата скорост.
В повечето формули се обозначава с главна латинска буква D и в системата SI се измерва в квадратни метри в секунда (m² / s), понякога в сантиметри в секунда (cm2 /m).
Коефициентът на дифузия е равен на количеството материя, разпръснато през единица повърхност за единица време, при условие че разликата в плътността на двете повърхности (разположени на разстояние, равно на единица дължина) е равна на единица. Критериите, които определят D са свойствата на веществото, в което протича самият процес на разсейване на частиците, и техният вид.
Зависимостта на коефициента от температурата може да се опише с помощта на уравнението на Арениус: D=D0exp(-E/TR).
В разглежданата формула E е минималната енергия, необходима за активиране на процеса; T - температура (измерена в Келвин, а не в Целзий); R-газова константа характеристика на идеален газ.
В допълнение към всичко по-горе, скоростта на дифузия в твърди вещества, течности в газове се влияе от налягане и радиация (индуктивна или високочестотна). Освен това много зависи от наличието на каталитично вещество, често то действа като спусък за началото на активно разпръскване на частици.
Дифузионно уравнение
Това явление е специална форма на частно диференциално уравнение.
Неговата цел е да намери зависимостта на концентрацията на веществото от размера и координатите на пространството (в което то дифундира), както и от времето. В този случай даденият коефициент характеризира пропускливостта на средата за реакцията.
Най-често дифузионното уравнение се записва по следния начин: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
В него φ (t и r) е плътността на разсейващото вещество в точка r в момент t. D (φ, r) - обобщен коефициент на дифузия при плътност φ в точка r.
∇ - векторен диференциален оператор, чиито компоненти са частични производни в координати.
Когато коефициентът на дифузия зависи от плътността, уравнението е нелинейно. Когато не - линейно.
След като разгледахме определението за дифузия и характеристиките на този процес в различни среди, може да се отбележи, че той има както положителни, така и отрицателни страни.
