ДИФФУЗИЯ (от латинского diffusio - растекание, распространение, рассеивание), процесс установления наиболее вероятного пространственного распределения частиц при их хаотическом движении в газах, жидкостях и твёрдых телах. Диффузия - частный случай переноса явлений.
В термодинамически равновесной среде, состоящей из двух и более компонент, при отсутствии внешних воздействий диффузия приводит к выравниванию концентраций частиц каждой компоненты во всём объёме среды. В бинарной смеси при малой концентрации диффундирующего вещества плотность диффузионного потока J частиц связана с градиентом их концентрации ∇n соотношением: J = ‒D∇n (1-й закон Фика, смотри Фика законы), где D - коэффициент диффузии. При этом изменение концентрации n во времени t и пространстве посредством диффузии с независимым от координат значением D описывается уравнением диффузии:
∂n/∂t = D∆n (1)
(2-й закон Фика). Если диффундирующие частицы могут рождаться или гибнуть, то в правую часть уравнения (1) добавляются соответствующие источники или стоки, например скорость изменения концентрации в химических реакциях (∂n/∂t) хим. Сочетанием диффузии с химическими реакциями характеризуются многие процессы горения и распространения фронта пламени. Диффузия нейтронов наряду с их рождением и поглощением - один из основных процессов, протекающих в активной зоне ядерного реактора и в окружающей радиационной защите.
Микроскопической основой диффузии является диффузионное движение (случайное блуждание) каждой отдельной частицы. Такое движение не прекращается и при J = 0. Любое начальное движение частицы в равновесной среде превращается со временем в тепловое движение. Диффундирующая частица, двигаясь и многократно меняя направление движения в результате столкновений (рассеяния на молекулах среды), уходит за время t от своего начального положения на расстояние, средний квадрат которого по большому числу траекторий равен 6Dt. При этом в любом заданном направлении, например по оси х, средний квадрат пройденного расстояния равен 2Dt. В газе D ≈ lv/3, где l - длина свободного пробега частицы, v - её средняя тепловая скорость. Коэффициент D, как и длина свободного пробега l, обратно пропорционален плотности газа. В газе нормальной плотности l порядка 10 -4 -10 -5 см. Тепловые скорости атомов и молекул (кроме водорода и гелия) составляют в нормальных условиях (при температуре около 0 °С) десятые доли км/с. Соответственно для таких газов в нормальных условиях D порядка 0,1-1 см 2 /с. В жидкости диффузионное движение частицы слагается из эпизодических перемещений на расстояния порядка размера молекулы и малых колебаний около временных положений равновесия. Вследствие затраты времени на такие колебания коэффициенты диффузии в жидкости много меньше, чем в газе.
В твёрдом теле диффузия дополнительно затруднена фиксированным положением атомов среды, образующих кристаллическую решётку. Механизмами диффузии в твёрдом теле могут быть: обмен местами между частицей примеси и оказавшейся рядом вакансией (дыркой) или с соседним атомом среды, движение частицы по междоузлиям и более сложные коллективные перемещения. Такие процессы связаны с преодолением значительных потенциальных барьеров. Поэтому коэффициент диффузии в твёрдом теле сильно (экспоненциально) зависит от температуры. (Эта закономерность, выраженная количественно слабее, характерна и для жидкостей.) Пример медленной диффузии в твёрдом теле: в металлических баллонах даже при высоком давлении газы хранятся годами без существенной утечки. При низких температурах в конденсированных средах определяющим механизмом диффузии может быть квантовая диффузия (туннелирование) атомов.
Характерным свойством диффузии является отсутствие резкой границы (фронта), разделяющей диффузионное облако от среды, в которой оно распространяется. Граница, заданная искусственно в начальный момент времени, например при мгновенном удалении оболочки с капли красителя, помещённой в воду, быстро размывается. Квадрат радиуса сферы, в которой находится основная масса красителя, увеличивается пропорционально времени. Соответственно скорость роста радиуса убывает как t -1/2 . Подобная закономерность свойственна и процессу теплопередачи.
Диффузию частицы в «собственной» среде, например молекулы воды в воде или атома алюминия в металлическом алюминии, называют самодиффузией. Коэффициент самодиффузии измеряют методом изотопных индикаторов, вводя локально радиоактивный изотоп атома (молекулы) исследуемой среды и наблюдая за его перераспределением во времени. Причиной диффузионного потока могут быть градиент температуры (термодиффузия), электрическое поле (электродиффузия), градиент давления в микропористой перегородке или гравитационное поле (бародиффузия). В этих случаях концентрационное равновесие (отсутствие диффузионного потока) достигается при ∇n ≠ 0, т. е. при пространственно неоднородном распределении концентраций. В плазме диффузии заряженных частиц на расстояния, больше дебаевского радиуса экранирования, происходит без нарушения квазинейтральности плазмы (амбиполярная диффузия).
Кроме диффузии частиц в пространстве, в обобщённом смысле рассматривается диффузия квазичастиц, энергии, импульса и т.п. в фазовом пространстве.
Диффузия играет важную (часто определяющую) роль во многих естественных явлениях и в технологических процессах.
Лит.: Гроот С. де, Мазур П. Неравновесная термодинамика. М., 1964; Хаазе Р. Термодинамика необратимых процессов. М., 1967; Грэй П. Физика простых жидкостей. М., 1971. Ч. 1: Статистическая теория.
Среди многочисленных явлений в физике процесс диффузии относится к одним из самых простых и понятных. Ведь каждое утро, готовя себе ароматный чай или кофе, человек имеет возможность наблюдать эту реакцию на практике. Давайте узнаем больше об этом процессе и условиях его протекания в разных агрегатных состояниях.
Что такое диффузия
Данным словом именуется проникновение молекул или атомов одного вещества между аналогичными структурными единицами другого. При этом концентрация проникающего соединений выравнивается.
Впервые этот процесс был подробно описан немецким ученым Адольфом Фиком в 1855 г.
Название данного термина было образовано от латинского diffusio (взаимодействие, рассеивание, распространение).
Диффузия в жидкости
Рассматриваемый процесс может происходить с веществами во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Чтобы отыскать практические примеры этого, стоит просто заглянуть на кухню.
Варящийся на плите борщ - это один из них. Под действием температуры молекулы глюкозинбетанина (вещества, благодаря которому свекла обладает таким насыщенным алым цветом) равномерно реагируют с молекулами воды, придавая ей неповторимый бордовый оттенок. Данный случай - это в жидкостях.
Помимо борща, данный процесс можно увидеть и в стакане чая или кофе. Оба эти напитка имеют столь равномерный насыщенный оттенок благодаря тому, что заварка или частички кофе, растворяясь в воде, равномерно распространяются между ее молекулами, окрашивая ее. На этом же принципе построено действие всех популярных растворимых напитков девяностых: Yupi, Invite, Zuko.
Взаимопроникновение газов
Атомы и молекулы, переносящие запах, находятся в активном движении и вследствие него перемешиваются с частицами, уже содержащимися в воздухе, и довольно равномерно рассеиваются в объеме помещения.
Это проявление диффузии в газах. Стоит отметить, что само вдыхание воздуха тоже относится к рассматриваемому процессу, как и аппетитный запах свежеприготовленного борща на кухне.
Диффузия в твердых телах
Кухонный стол, на котором стоят цветы, застелен скатертью яркого желтого цвета. Подобный оттенок она получила благодаря способности диффузии проходить в твердых телах.
Сам процесс придания полотну какого-то равномерного оттенка проходит в несколько этапов следующим образом.
- Частички желтого пигмента диффундировали в красильной емкости по направлению к волокнистому материалу.
- Далее они были впитаны внешней поверхностью окрашиваемой ткани.
- Следующим шагом была снова диффузия красителя, но на этот раз уже внутрь волокон полотна.
- В финале ткань зафиксировала частички пигмента, таким образом окрасившись.
Диффундирование газов в металлах
Обычно, говоря об этом процессе, рассматривают взаимодействия веществ в одинаковых агрегатных состояниях. Например, диффузия в твердых телах, твердых веществах. Для доказательства этого явления проводится опыт с двумя прижатыми друг к другу металлическими пластинами (золото и свинец). Взаимопроникновение их молекул происходит довольно долго (один миллиметр за пять лет). Этот процесс используется для изготовления необычных украшений.
Однако диффундировать способны и соединения в разных агрегатных состояниях. К примеру, существует диффузия газов в твердых телах.
В процессе экспериментов было доказано, что подобный процесс протекает в атомарном состоянии. Для его активации, как правило, нужно значительно повышение температуры и давления.
Примером такой газовой диффузии в твердых телах является водородная коррозия. Она проявляется в ситуациях, когда возникшие в процессе какой-нибудь химической реакции атомы водорода (Н 2) под действием высоких температур (от 200 до 650 градусов Цельсия) проникают между структурными частицами металла.
Помимо водорода, в твердых телах диффузия кислорода и других газов также способна происходить. Этот незаметный глазу процесс приносит немало вреда, ведь из-за него могут рушиться металлические сооружения.
Диффундирование жидкостей в металлах
Однако не только молекулы газов могут проникать в твердые тела, но и жидкостей. Как и в случае с водородом, чаще всего такой процесс приводит к коррозии (если речь идет о металлах).
Классическим примером диффузии жидкости в твердых телах является коррозия металлов под воздействием воды (Н 2 О) или растворов электролитов. Для большинства этот процесс более знаком под названием ржавления. В отличие от водородной коррозии, на практике с ним приходится сталкиваться значительно чаще.
Условия ускорения диффузии. Коэффициент диффузии
Разобравшись с тем, в каких веществах может происходить рассматриваемый процесс, стоит узнать об условиях его протекания.
В первую очередь быстрота диффузии зависит от того, в каком агрегатном состоянии пребывают взаимодействующие вещества. Чем больше в котором происходит реакция, тем медленнее ее скорость.
В связи с этим диффузия в жидкостях и газах всегда будет проходить более активно, нежели в твердых телах.
К примеру, если кристаллы перманганата калия KMnO 4 (марганцовка) бросить в воду, они в течение нескольких минут придадут ей красивый малиновый цвет. Однако если посыпать кристаллами KMnO 4 кусочек льда и положить все это в морозилку, по прошествии нескольких часов перманганат калия так и не сможет полноценно окрасить замороженную Н 2 О.
Из предыдущего примера можно сделать еще один вывод об условиях диффузии. Помимо агрегатного состояния, на скорость взаимопроникновения частиц влияет также и температура.
Чтобы рассмотреть зависимость от нее рассматриваемого процесса, стоит узнать о таком понятии, как коэффициент диффузии. Так называется количественная характеристика ее скорости.
В большинстве формул она обозначается при помощи большой латинской литеры D и в системе СИ измеряется в квадратных метрах на секунду (м²/с), иногда - в сантиметрах за секунду (см 2 /м).
Коэффициент диффузии равен количеству вещества, рассеивающегося через единицу поверхности на протяжении единицы времени, при условии, что разность плотностей на обеих поверхностях (расположенных на расстоянии равном единице длины) равна единице. Критерии, определяющие D, - это свойства вещества, в котором происходит сам процесс рассеивания частиц, и их тип.
Зависимость коэффициента от температуры можно описать при помощи уравнения Аррениуса: D = D 0exp (-E/TR).
В рассмотренной формуле Е - минимальная энергия, необходимая для активации процесса; Т - температура (измеряется по Кельвину, а не Цельсию); R - постоянная газовая, характерная для идеального газа.
Помимо всего вышеперечисленного, на скорость диффузии в твердых телах, жидкости в газах влияет давление и излучение (индукционное или высокочастотное). Кроме того, многое зависит от наличия катализирующего вещества, часто именно оно выступает в роли пускового механизма для начала активного рассеивания частиц.
Уравнение диффузии
Данное явление - частный вид уравнения дифференциального при частных производных.
Его цель - отыскать зависимость концентрации вещества от размеров и координат пространства (в котором оно диффундирует), а также времени. При этом заданный коэффициент характеризует проницаемость среды для реакции.
Чаще всего уравнение диффузии записывают следующим образом: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .
В нем φ (t и r) — плотность рассеивающегося вещества в точке r во время t. D (φ, r) — диффузии обобщенный коэффициент при плотности φ в точке r.
∇ — векторный дифференциальный оператор, компоненты которого по координатам относятся к частным производным.
Когда коэффициент диффузии зависим от плотности, уравнение является нелинейным. Когда нет — линейным.
Рассмотрев определение диффузии и особенности данного процесса в разных средах, можно отметить, что он имеет как положительные, так и отрицательные стороны.
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.
В общеобразовательной школе каждый семиклассник обязательно знакомится по физике с различными явлениями, которые можно встретить как в повседневной жизни, так и в промышленных условиях.
Данная статья посвящена диффузии. Изначально этот термин может показаться пугающим, чем-то необычным. На самом деле, он является одним из часто встречающихся явлений, точнее даже сказать, что оно постоянно и всюду имеет место. Давайте с вами рассмотрим, что такое диффузия в физике, заодно приведем множество примеров, которые дадут понять: нет ничего сложного, а тема по школьному предмету довольно простая и интересная.
Определение диффузии
В разных источниках можно встретить разную формулировку, но такую, которая не теряет свой первоначальный смысл.
Диффузия - явление, при котором молекулы одного вещества проникают в молекулы другого вещества. Школьнику может показаться эта фраза слишком непонятной и сложной. Но на самом деле, все достаточно легко. Как известно, молекула - мельчайшая частица любого вещества (она есть даже у воздуха, газа). Каждая молекула соединяется между собой структурными связями. Чем плотнее структура, тем тверже тело. Таким образом, проникновение молекул одного вещества в молекулы другого будет проще в случае, когда структура наиболее простая или же молекулы существуют свободно.
Вот почему так звучит определение. Что такое диффузия в физике? Проще говоря: соединение, проникновение двух веществ друг в друга. В итоге образуется единое целое.
Газ и воздух
Давайте начнем с рассмотрения примеров, посвященных простым молекулярным соединениям как газы. Дело в том, что воздух легче всего поддается изменениям. Например, вы распылили в комнате духи. Моментально или через несколько секунд уже чувствуется аромат. В данном случае мы уже можем ответить на вопрос о том, что такое диффузия.
В физике все вещества подразделяются на три основных состояния:
- газообразное;
- жидкое;
- твердое.
Соответственно, газообразное состояние способно на достаточно быструю реакцию.
Приведем еще пример: запах краски, распространяющейся вокруг во время покраски изделий. Выхлопные газы автомобилей также являются диффузией в окружающей среде, поэтому, к сожалению, страдает экология, загрязнен воздух в больших и маленьких городах.
Стоит отметить, что воздух подвижен, его молекулы постоянно перемещаются. Поэтому диффузия с какими-либо посторонними газообразными веществами происходит постоянно.
Вода
А теперь рассмотрим кратко, что такое диффузия в физике в отношении Представим себе сосуд с водой. В него добавим немного марганцовки или красящего вещества. Процесс можно наблюдать до тех пор, пока вода полностью не окрасится. Следует отметить, что диффузия происходит намного быстрее в горячей воде. Это может продемонстрировать обыкновенная чашка с чаем или кофе. Если в горячую воду добавить сахар, то он быстро растворится. При добавлении сливок в горячий кофе тоже происходит быстрое слияние кофе и воды, а также сливок.
При варке супов, бульонов и соусов тоже наблюдается диффузия. Следует отметить, что термическая обработка пищи (а именно варка) происходит чаще всего именно потому, что нужно соединить одно вещество с другим. Допустим, куриный бульон не получится в холодной воде, ведь мясной сок должен взаимодействовать с горячей водой.
Твердые изделия в промышленности
Существует такое состояние веществ, когда невозможно определить, твердое оно или жидкое. Имеется в виду не самое а совокупность. Например, тесто для блинов, жидкая глина, густые масла. Что такое диффузия в физике по отношению к подобным изделиям? Проникновение молекул также сохранится. Например, при изготовлении сплавов, пластмасс применяются в жидком состоянии различные материалы, которые по своей естественной природе твердые. Но при нагревании они становятся жидкими, их молекулы способны проникать одни в другие, то есть будет диффузия. Таким образом, существует множество прочных стальных, пластиковых изделий, материалов.
Диффузия в твердых телах
Ранее мы рассмотрели определение, что такое диффузия в физике, теперь знаем. Согласно логике, в твердых веществах диффузии быть не может. Отчасти это так. Но есть сведения, что при постоянном хранении вместе некоторых веществ они становятся единым целым.
Например, если вместе поместить в один ящик свинец и золото так, чтобы они были тесно прижаты друг к другу, то примерно через 5 лет они соединятся своими поверхностями. Поэтому, отвечая на вопрос о том, что такое диффузия в физике, будем рассматривать абсолютно все вещества, но только одного состояния.
Химические процессы
В заключение стоит отметить, что явление диффузии изучается и в химии, и даже в биологии. Поэтому с этим термином можно столкнуться не только по физике. Химики в лабораториях постоянно проводят различные опыты, в которых без подобного процесса не обойтись. Но основная тема рассматривается в 7 классе. Что такое диффузия в физике и химии? Это достаточно часто встречающееся явление в природе и в быту, а также при производстве чего-либо.
Все, что происходит с нами и вокруг нас всегда вызывает интерес. Одним из интересных процессов, которым интересуются многие люди, является диффузия. Если вам интересно, диффузия что такое, то наша статья будет полезной.
Что такое диффузия?
Диффузия представляет собой процесс, когда смесь переходит из области с высокой концентрацией в области низкой концентрацией. Причиной этого является перемещение атомов и молекул. Обычно причиной служит тепло, под воздействием которого весь процесс и происходит. Заканчивается он тогда, когда градиент концентрации кончается.
Диффузия газов и жидкостей происходит быстро, что нельзя сказать о твердых веществах. Это легко заметно в обычной жизни, ведь нагреть воду гораздо быстрее, чем растопить пластмассу. Для сравнения многие люди смешивают в оду с марганцовкой, которая окрашивает жидкость за пару секунд. А вот проделать это с пластилином уже невозможно. Если два куска пластилина смешать, то для того чтобы они взаимодействовали, необходимо приложить немало усилий. Это еще раз подтверждает, что скорость диффузии может быть различной. Синтетические материалы подвержены слабой диффузии, а металлические наоборот.
Диффузировать могут частицы, которые всегда находятся в веществе. Также этому процессу поддаются и посторонние вещества.
Как вызвать диффузию?
Чтобы диффузия произошла в газах и жидкостях необходимо применить броуновское движение. Оно представляет собой движение молекул под воздействием высоких температур.
Для того чтобы вызвать диффузию твердых веществ можно использовать диффузный насос. В нем есть масло, которое нагревается и поднимается вверх, а там уже происходит откачивание. Пары в это время проходят вверх и по специальным каналам насоса опускаются вниз для охлаждения. По пути они захватывают газы и уносят их с собой. Пар конденсируется и стекает в специальную емкость. Все это позволяет добиваться минимального давления.
Виды диффузии
Диффузия может быть:
- коллоидная;
- конвективная;
- квантовая;
- турбулентная.
Первый вид диффузии представляет собой процесс, который происходит в твердых телах. Турбулентная – это перенос мельчайших частиц в потоке турбулентности. Квантовая диффузия отмечается там, где очень низкие температуры и присутствует конденсат. Конвективная диффузия происходит, когда частицы двигаются в среде, которая тоже двигается с особой скоростью.
Нередко можно наблюдать, как к диффузии относят явления, во время которых не переносятся частицы. Например, в оптике можно встретить процесс переноса излучения в среде, которая отличается неоднородностью. Это процесс должен сопровождаться поглощением фотонов, что и называют диффузией.
Где можно увидеть диффузию в жизни?
Самым легким примером показа того, как работает диффузия, является наше дыхание. Кислород попадает в наши легкие при их раскрытии, а потом перемещается в кровь. С помощью диффузии углекислый газ не скапливается вокруг человека, а смешивается с кислородом и рассеивается равномерно по воздуху. Наблюдать данный процесс можно и в других сферах жизни.
