Onder die talle verskynsels in fisika is die verspreidingsproses een van die eenvoudigste en verstaanbaarste. Immers, elke oggend, terwyl hy geurige tee of koffie voorberei, het 'n persoon die geleentheid om hierdie reaksie in die praktyk waar te neem. Kom ons leer meer oor hierdie proses en die voorwaardes vir die voorkoms daarvan in verskillende totale toestande.
Wat is diffusie
Hierdie woord verwys na die penetrasie van molekules of atome van een stof tussen soortgelyke strukturele eenhede van 'n ander. In hierdie geval word die konsentrasie van deurdringende verbindings gelyk gemaak.
Hierdie proses is die eerste keer in 1855 in detail beskryf deur die Duitse wetenskaplike Adolf Fick
Die naam van hierdie term is gevorm uit die Latynse selfstandige naamwoord diffusio (interaksie, verspreiding, verspreiding).
Diffusie in 'n vloeistof
Die proses wat oorweeg word, kan plaasvind met stowwe in al drie toestande van aggregasie: gasvormig, vloeistof en vaste stof. Vir praktiese voorbeelde hiervan, kyk net nakombuis.
Stofgekookte borsjt is een van hulle. Onder die invloed van temperatuur reageer die molekules van glukosienbetanien ('n stof waardeur die beet so 'n ryk skarlakenrooi kleur het) eweredig met watermolekules, wat dit 'n unieke wynrooi kleur gee. Hierdie geval is 'n voorbeeld van diffusie in vloeistowwe.
Benewens borsjt, kan hierdie proses ook in 'n glas tee of koffie gesien word. Albei hierdie drankies het so 'n eenvormige ryk skakering as gevolg van die feit dat teeblare of koffiedeeltjies, wat in water oplos, eweredig tussen sy molekules versprei en dit kleur. Die aksie van alle gewilde kitsdrankies van die negentigerjare is op dieselfde beginsel gebou: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetrasie van gasse
Om voort te gaan om verder te soek na manifestasies van die betrokke proses in die kombuis, is dit die moeite werd om te snuffel en die aangename geur te geniet wat voortspruit uit 'n ruiker vars blomme op die etenstafel. Hoekom gebeur dit?
Reukdraende atome en molekules is in aktiewe beweging en word as gevolg daarvan gemeng met deeltjies wat reeds in die lug is, en is redelik eweredig in die volume van die kamer versprei.
Dit is 'n manifestasie van diffusie in gasse. Dit is opmerklik dat die einste inaseming van lug ook tot die proses onder oorweging behoort, sowel as die smaaklike reuk van vars gaar borsjt in die kombuis.
Diffusie in vaste stowwe
Die kombuistafel met blomme is bedek met 'n heldergeel tafeldoek. Sy het 'n soortgelyke skakering gekry danksydie vermoë van diffusie om deur vaste stowwe te gaan.
Die proses om die doek eenvormige skakering te gee vind in verskeie stadiums soos volg plaas.
- Deeltjies van geel pigment diffundeer in die inktenk na die veselagtige materiaal.
- Hulle is toe deur die buitenste oppervlak van die geverfde stof geabsorbeer.
- Die volgende stap was weer om die kleurstof te diffundeer, maar hierdie keer in die vesels van die web.
- In die finaal het die stof die pigmentdeeltjies vasgemaak en sodoende gekleur.
Diffusie van gasse in metale
Gewoonlik, oor hierdie proses, oorweeg die interaksie van stowwe in dieselfde toestand van aggregasie. Byvoorbeeld, diffusie in vaste stowwe, vaste stowwe. Om hierdie verskynsel te bewys, word 'n eksperiment uitgevoer met twee metaalplate wat teen mekaar gedruk is (goud en lood). Die interpenetrasie van hul molekules neem nogal lank (een millimeter in vyf jaar). Hierdie proses word gebruik om ongewone juweliersware te maak.
Verbindings in verskillende aggregaattoestande is egter ook in staat om te diffundeer. Daar is byvoorbeeld diffusie van gasse in vaste stowwe.
Tydens die eksperimente is bewys dat so 'n proses in die atoomtoestand plaasvind. Om dit te aktiveer, benodig jy as 'n reël 'n aansienlike toename in temperatuur en druk.
'n Voorbeeld van sulke gasdiffusie in vaste stowwe is waterstofkorrosie. Dit manifesteer hom in situasies waarWaterstofatome (Н2) wat in die loop van een of ander chemiese reaksie onder die invloed van hoë temperature (van 200 tot 650 grade Celsius) ontstaan het, dring tussen die strukturele deeltjies van die metaal binne.
Benewens waterstof, kan diffusie van suurstof en ander gasse ook in vaste stowwe voorkom. Hierdie proses, onwaarneembaar vir die oog, doen baie skade, want metaalstrukture kan as gevolg daarvan ineenstort.
Diffusie van vloeistowwe in metale
Nie net gasmolekules kan egter in vaste stowwe binnedring nie, maar ook vloeistowwe. Soos in die geval van waterstof, lei hierdie proses meestal tot korrosie (wanneer dit by metale kom).
'n Klassieke voorbeeld van vloeistofdiffusie in vaste stowwe is die korrosie van metale onder die invloed van water (H2O) of elektrolietoplossings. Vir die meeste is hierdie proses meer bekend onder die naam van roes. Anders as waterstofkorrosie, moet dit in die praktyk baie meer gereeld teëgekom word.
Voorwaardes vir die versnelling van diffusie. Verspreidingskoëffisiënt
Nadat die stowwe behandel is waarin die proses onder oorweging kan plaasvind, is dit die moeite werd om te leer oor die voorwaardes vir die voorkoms daarvan.
In die eerste plek hang die spoed van diffusie af van die totale toestand van die interaktiewe stowwe. Hoe groter die digtheid van die materiaal waarin die reaksie plaasvind, hoe stadiger is die tempo.
In hierdie verband sal diffusie in vloeistowwe en gasse altyd meer aktief wees as in vaste stowwe.
Byvoorbeeld, as die kristallekaliumpermanganaat KMnO4 (kaliumpermanganaat) gooi in water, hulle sal dit 'n pragtige frambooskleur gee oor 'n paar minute Kleur. As jy egter kristalle van KMnO4 op 'n stuk ys strooi en alles in die vrieskas sit, sal kaliumpermanganaat na 'n paar uur nie die bevrore H 2O kan inkleur nie.
Uit die vorige voorbeeld kan nog een gevolgtrekking oor die diffusietoestande gemaak word. Benewens die toestand van aggregasie, beïnvloed temperatuur ook die tempo van interpenetrasie van deeltjies.
Om die afhanklikheid van die proses wat oorweeg word daarvan te oorweeg, is dit die moeite werd om oor so 'n konsep soos die diffusiekoëffisiënt te leer. Dit is die naam van die kwantitatiewe eienskap van sy spoed.
In die meeste formules word dit met 'n Latynse hoofletter D aangedui en in die SI-stelsel word dit gemeet in vierkante meter per sekonde (m² / s), soms in sentimeters per sekonde (cm2) /m).
Die diffusiekoëffisiënt is gelyk aan die hoeveelheid materie wat oor 'n eenheidsoppervlak verstrooi word, mits die digtheidsverskil op beide oppervlaktes (geleë op 'n afstand gelyk aan 'n lengte-eenheid) gelyk is aan een. Die kriteria wat D bepaal, is die eienskappe van die stof waarin die partikelverstrooiingsproses self plaasvind, en hul tipe.
Die afhanklikheid van die koëffisiënt van temperatuur kan beskryf word deur die Arrhenius-vergelyking te gebruik: D=D0exp(-E/TR).
In die oorweegde formule E is die minimum energie wat benodig word om die proses te aktiveer; T - temperatuur (gemeet in Kelvin, nie Celsius nie); R-gaskonstante kenmerk van 'n ideale gas.
Benewens al die bogenoemde, word die diffusietempo in vaste stowwe, vloeistowwe in gasse beïnvloed deur druk en straling (induktief of hoëfrekwensie). Daarbenewens hang baie af van die teenwoordigheid van 'n katalitiese stof, dikwels dien dit as 'n sneller vir die begin van aktiewe verspreiding van deeltjies.
Diffusievergelyking
Hierdie verskynsel is 'n spesifieke vorm van die parsiële differensiaalvergelyking.
Die doel daarvan is om die afhanklikheid van die konsentrasie van 'n stof op die grootte en koördinate van die ruimte (waarin dit versprei), sowel as tyd, te vind. In hierdie geval kenmerk die gegewe koëffisiënt die deurlaatbaarheid van die medium vir die reaksie.
Meestal word die diffusievergelyking soos volg geskryf: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
Daarin is φ (t en r) die digtheid van die verstrooiende stof by punt r op tyd t. D (φ, r) - veralgemeende diffusiekoëffisiënt by digtheid φ by punt r.
∇ - vektordifferensiaaloperateur wie se komponente parsiële afgeleides in koördinate is.
Wanneer die diffusiekoëffisiënt digtheidafhanklik is, is die vergelyking nie-lineêr. Wanneer nie – lineêr.
Nadat die definisie van diffusie en die kenmerke van hierdie proses in verskillende omgewings oorweeg is, kan daar kennis geneem word dat dit beide positiewe en negatiewe kante het.
