Диффузия. Полные уроки — Гипермаркет знаний
Вследствие ничтожно малых размеров молекул, их содержание в веществе составляет огромное количество. Движение молекул любого вещества носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха молекулы вещества много раз меняют направление своего движения. И беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате. Происходит самопроизвольное перемешивание веществ. Это процесс диффузии. Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называется .Диффузия может происходить в любых веществах: и в газах, и в жидкостях и в твердых телах. Наиболее быстро этот процесс произойдет в газах, потому что расстояние между молекулами достаточно большие, а силы притяжения между ними . В жидкостях диффузия произойдет медленнее, чем в газах. Это объясняется тем, что молекулы расположены гуще, и поэтому « » через них достаточно труднее. Медленнее всего диффузия протекает в твердых телах, объяснимо это плотным расположением молекул. Если гладко отшлифованные пластины и золота положить друг на друга и грузом, то через пять лет можно наблюдать диффузию глубиной в один миллиметр.Явление диффузии ускоряется с повышением температуры. Это происходит потому, что при повышении температуры вещества, его молекулы движутся быстрее. И взаимное перемешивание произойдет быстрее. Поэтому сахар растворяется быстрее горячем чае, нежели в холодном.Диффузия играет большую роль . Так, например, диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений. Для человека данное явление жизненно важно, например, благодаря диффузии кислород из легких проникает в кровь человека, а из крови – в ткани.
Видео по теме
Источники:
- диффузия печени
Диффузия (от лат. diffusio – распространение, рассеивание, растекание) – это явление, при котором наблюдается взаимное проникновение молекул разных веществ между собой, т.е. молекулы одного вещества проникают между молекулами другого, и наоборот.
Диффузия в повседневной жизни
Явление диффузии часто можно наблюдать в повседневной жизни человека. Так, если внести в комнату источник какого-либо запаха – например, кофе или духи – этот запах вскоре распространится по всему помещению. Рассеивание пахучих веществ происходит из-за постоянного движения молекул. На своем пути они сталкиваются с молекулами газов, входящих в состав воздуха, меняют направление и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате. Такое распространение запаха – доказательство хаотичного и непрерывного движения молекул.
Как доказать, что тела состоят из непрерывно движущихся молекул
Для доказательства того, что все тела состоят из молекул, находящихся в постоянном движении, можно проделать следующий физический опыт.
Налейте в скатан или мензурку темно-голубой раствор медного купороса. Сверху осторожно прилейте чистую воду. Вначале между жидкостями будет видна резкая граница, но через несколько дней она станет размытой. Через пару недель граница, воду от раствора медного купороса, исчезнет совсем, и в сосуде образуется однородная жидкость бледно-голубого оттенка. Это скажет вам о том, что жидкости перемешались.
Чтобы объяснить наблюдаемое явление, можно предположить, что молекулы медного купороса и воды, расположенные возле поверхности раздела, меняются местами. Граница между жидкостями становится расплывчатой, поскольку молекулы медного купороса перемещаются в нижний слой воды, а молекулы воды – в верхний слой синего раствора. Постепенно молекулы всех этих веществ путем беспорядочного и непрерывного движения распространяются по всему объему, делая жидкость однородной. Это явление и названо
Диффузия переводится с латыни, как распространение или взаимодействие. Диффузия является очень важным понятием физики. Суть диффузии заключается в проникновении одних молекул вещества в другие. В процессе перемешивания происходит выравнивание концентраций обоих веществ по занимаемому ими объему. Вещество из места с большей концентрацией переходит в место с меньшей концентрацией, за счет этого и происходит выравнивание концентраций. Рассмотрев, что такое диффузия, следует перейти к условиям, которые могут оказывать воздействие на скорость протекания этого явления.
Факторы, влияющие на диффузию
Чтобы понять, от чего зависит диффузия, рассмотрим факторы, которые на нее влияют.
Диффузия зависит от температуры. Скорость диффузии будет увеличиваться с увеличением температуры, потому что при повышении температуры будет увеличиваться скорость движения молекул, то есть молекулы будут быстрее перемешиваться. Агрегатное состояние вещества тоже будет влиять на то, от чего зависит диффузия, а именно на скорость диффузии. Тепловая диффузия зависит от вида молекул. Например, если предмет металлический, то тепловая диффузия протекает быстрее, в отличие от того, если бы этот предмет был сделан из синтетического материала. Очень медленно протекает диффузия между твердыми материалами. Диффузия имеет огромное значение в природе и в жизни человека.
Примеры диффузии
Чтобы лучше разобраться, что такое диффузия, рассмотрим ее на примерах. Молекулы веществ, не зависимо от их агрегатного состояния постоянно находятся в движении. Следовательно, диффузия происходит в газах, может происходить в жидкостях, а также в твердых телах. Диффузией является перемешивание газов. В простейшем случае, это распространение запахов. Если в воду поместить какой-нибудь краситель, то спустя время жидкость равномерно окрасится. Если два металла соприкасаются, то на границе соприкосновения происходит перемешивание их молекул.
Итак, диффузией является перемешивание молекул вещества при их беспорядочном тепловом движении.
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.
Нам необходимо определить, что в физике понимают под понятием диффузии.
Диффузия
Данное понятие пришло к нам из латинского языка и в переводе слово "диффузио" имеет значение растекание, распространение. Как можно понять из перевода термин диффузия означает взаимное проникновение частиц одного вещества в другое вещество под воздействием различных факторов.
Данный процесс обусловлен движение молекул рассматриваемых веществ. И наиболее ярким примером диффузии служит смешение различных газов.
Скорость протекания данных процессов может зависит, в первую очередь, от такого фактора как агрегатное состояние рассматриваемых веществ. То есть, как мы можем понять, в случаях с жидкостями и газами данный процесс будет занимать значительно меньше времени чем, например с твердыми телами.
Так же скорость протекания данной реакции зависит от температуры веществ. Мы знаем, что при увеличении температуры скорость движения молекул увеличивается следовательно и скорость смешения, проникновения молекул одного тела в другое будет больше.
Еще одним фактором влияющим на скорость протекания диффузии является давление. Данное явление оказывает наиболее сложное воздействие на вещества. То есть данный механизм уменьшает объем веществ, количество свободных вакансий для атомов и повышает содержание межузельных атомов.
Виды диффузии
Диффузия подразделяется на несколько видов в зависимости от агрегатных состояний рассматриваемых веществ:
- диффузия газов;
- диффузия жидкостей;
- диффузия плазмы;
- диффузия кристаллов;
- диффузия твердых тел.