Дифузия на твърди вещества, течности и газове: определение, условия

Сред многото явления във физиката, дифузионният процес е един от най-простите и най-разбираемите. След всяка сутрин, подготвяйки си ароматен чай или кафе, човек има възможност да наблюдава тази реакция на практика. Да научим повече за този процес и неговите условия в различни агрегати.

Какво представлява дифузията?

Тази дума се отнася до проникването на молекули или атоми на едно вещество между подобни структурни единици на друга. Концентрацията на проникващите съединения се изравнява.

Този процес е описан за първи път подробно от немския учен Адолф Фик през 1855 г.

Името на този термин е извлечено от латинското вербално съществително дифузио (взаимодействие, разпространение, разпространение).

Дифузия в течност

Процесът, който се разглежда, може да се осъществи при веществата във всичките три агрегатни състояния: газообразни, течни и твърди. За да намерите практически примери за това, просто погледнете в кухнята.

Borshch на печката е един от тях. Под въздействието на температурата на молекулата на глюкозин бетанин (вещество, поради което цвекло има такъв наситен червен цвят), той реагира равномерно с водните молекули, като му дава уникална бургундска сянка. Този случай е пример за дифузия в течности.

В допълнение към борш, този процес може да се види в чаша чай или кафе. И двете напитки са толкова равномерно наситени сянка, поради факта, че заваряване или частици кафе, разтварящи се във вода, равномерно разпределени между молекулите, които я оцветяват. Същият принцип на действие на всички популярни мигновени напитки от деветдесетте години е построен: Yupi, Invite, Zuko.

Взаимодействие на газове

Продължавайки да търсим по-нататъшни прояви на процеса в кухнята, си заслужава да подуши и наслаждавайки се на приятен аромат, идващи от букет от свежи цветя на масата за хранене. Защо се случва това?

Атомите и молекулите, които носят миризмата, са в активно движение и в резултат на това те се смесват с частици, които вече се съдържат във въздуха, и се разсейват сравнително равномерно в обема на стаята.

Това е проява на дифузия в газовете. Струва си да се отбележи, че самото вдишване на въздух също се отнася до въпросния процес, както и апетитната миризма на прясно приготвен борш в кухнята.

Дифузия в твърдите вещества

Кухненската маса, на която има цветя, се поставя с покривка от ярко жълт цвят. Този сянка се получава благодарение на способността за дифузия да преминава през твърди частици.

Самият процес на даване на платно с еднакво нюанс минава на няколко етапа, както следва.

1. Частиците на жълтия пигмент дифундират в контейнера за боядисване към влакнестия материал.
2. Освен това те се поглъщат от външната повърхност на боядисаната тъкан.
3. Следващата стъпка беше отново дифузията на боята, но този път вече вътре във влакната на платното.
4. Накрая, тъканта фиксира пигментните частици, като по този начин оцветява.

Дифузия на газове в металите

Обикновено, когато говорим за този процес, разглеждаме взаимодействията на веществата в същите агрегатни състояния. Например, дифузия в твърди вещества, твърди вещества. За да се докаже това явление, се провежда експеримент с две пресовани метални плочи (злато и олово). Взаимодействието на техните молекули отнема доста време (един милиметър за пет години). Този процес се използва за правене на необичайни орнаменти.

Съединенията обаче също могат да дифузират в различни агрегатни състояния. Например, има дифузия на газове в твърди вещества.

В хода на експериментите беше доказано, че такъв процес протича в атомното състояние. За да го активирате, като правило се нуждаете от значително повишаване на температурата и налягането.

Пример за такава дифузия на газ в твърди вещества е водородната корозия. Той се проявява в ситуации, при които водородните атоми, възникващи в хода на химическата реакция (Н.₂) под влиянието 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 появи и в твърди вещества. Този незабележим процес носи много вреди, защото може да разруши метални структури.

Дифузия на течности в металите

Обаче не само молекулите на газовете могат да проникнат в твърди вещества, но и в течности. Както в случая с водорода, най-често този процес води до корозия (когато става дума за метали). Класически пример за дифузия на течности в твърди вещества е корозията на металите под действието на водата (Н.₂O) или разтвори на електролити. За повечето, този процес е по-познат под името "ръжда". За разлика от водородната корозия, на практика е необходимо да се сблъскваме с нея много по-често.

Условия за ускоряване на разпространението. Коефициентът на дифузия

След като се занимаваме с веществата, в които може да се случи разглежданият процес, струва си да научим за условията на потока.

На първо място, скоростта на разпространение зависи от състоянието на агрегатното състояние на взаимодействащите вещества. Колкото повече плътността на материала, в която се случва реакцията, толкова по-бавно е нейната скорост.

В тази връзка, дифузията в течностите и газовете винаги ще премине по-активно, отколкото в твърдите вещества.

Например, ако кристалите на KMnO калиев перманганат_{4 (}калиев перманганат₎ хвърлят във водата, ще й дадат красив пурпурен цвят в рамките на няколко минути. Въпреки това, ако се поръсва с KMnO кристали₄ парче лед и поставете всичко във фризера, след няколко часа калиев перманганат не може да оцвети напълно замразения H₂О.

От предходния пример можем да изведем друго заключение за условията на дифузия. В допълнение към агрегатното състояние, скоростта на взаимно проникване на частиците също се влияе от температурата.

За да се разгледа зависимостта от разглеждания процес от него, струва си да се научим за подобна концепция като коефициента на дифузия. Това е името на количествената характеристика на неговата скорост.

В повечето формули той се обозначава с голяма латиница D, а в SI системата се измерва в квадратни метри в секунда (m² / s), понякога в сантиметри на секунда (cm²/ м).

Дифузионният коефициент е равен на количеството вещество, разпръснато през единица повърхност за единица време, при условие че разликата в плътността на двете повърхности (разположена на разстояние, равна на дължината на единицата) е равна на единица. Критериите, които определят D са свойствата на веществото, в което протича процесът на разсейване на частиците и техният тип.

Зависимостта на коефициента от температурата може да се опише с помощта на уравнението на Arrhenius: D = D_0exp(-E / TR).

Във формулата, която се разглежда, Е е минималната необходима енергия за активиране на процеса - Т е температурата (измерена чрез Келвин, а не Целзий) -R е постоянната газова характеристика на идеален газ.

В допълнение към всичко казано по-горе, скоростта на дифузия в твърдите вещества, течностите в газовете се влияе от натиск и излъчване (индукция или висока честота). В допълнение, много зависи от наличието на каталитичен агент, често действа като пусков механизъм за иницииране на активна дисперсия на частици.

Дифузионното уравнение

Това явление е специфична форма на диференциалното уравнение за частични деривати.

Целта му е да се намери зависимостта на концентрацията на материята от размерите и координатите на пространството (в която тя се разсейва), както и времето. Определеният коефициент характеризира пропускливостта на средата за реакцията.

Най-често дифузното уравнение е написано, както следва: част-phi- (r, t) / част-t = nabla-x [D (phi-, r) nabla- phi- (r, t)].

В него phi (t и r) е плътността на разпръснатото вещество в точката r в момент t. D (phi-, r) -diffusion е общият коефициент при плътността phi в точката r.

nabla- е оператор на векторна диференциация, чиито компоненти се отнасят до частичните производни по отношение на координатите.

Когато коефициентът на дифузия зависи от плътността, уравнението е нелинейно. Когато не е линеен.

След като разгледахме определението за дифузия и характеристиките на този процес в различни медии, може да се отбележи, че има както положителни, така и отрицателни страни.