U opšteobrazovnoj školi svaki učenik sedmog razreda će se sigurno u fizici upoznati sa raznim pojavama koje se mogu naći i u Svakodnevni život kao i u industrijskim okruženjima.
Ovaj članak je o difuziji. U početku, ovaj izraz može izgledati zastrašujuće, nešto neobično. U stvari, to je jedan od fenomena koji se često susreću, tačnije reći da se javlja stalno i svuda. Pogledajmo šta je difuzija u fizici, a istovremeno ćemo dati mnogo primjera koji će jasno pokazati: nema ništa komplicirano, a tema školskog predmeta je prilično jednostavna i zanimljiva.
Definicija difuzije
U različitim izvorima možete pronaći različite formulacije, ali one koje ne gube svoje izvorno značenje.
Difuzija je pojava u kojoj molekuli jedne supstance prodiru u molekule druge supstance. Učeniku će ova fraza biti previše nerazumljiva i komplikovana. Ali u stvari, sve je prilično lako. Kao što znate, molekul je najmanja čestica bilo koje tvari (čak je imaju i zrak i plin). Svaki molekul je međusobno povezan strukturnim vezama. Što je struktura gušća, tijelo je tvrđe. Tako će prodiranje molekula jedne supstance u molekule druge biti lakše u slučaju kada je struktura najjednostavnija ili molekuli postoje slobodno.
Zato definicija zvuči tako. Šta je difuzija u fizici? Jednostavno rečeno: veza, prodiranje dvije supstance jedna u drugu. Kao rezultat, formira se jedinstvena cjelina.
Gas i vazduh
Počnimo s jednostavnim primjerima molekularna jedinjenja poput gasova. Činjenica je da se vazduh najlakše menja. Na primjer, poprskali ste parfem po sobi. Odmah ili nakon nekoliko sekundi, aroma se već osjeti. U ovom slučaju već možemo odgovoriti na pitanje šta je difuzija.
U fizici su sve supstance podijeljene u tri glavna stanja:
- gasoviti;
- tekućina;
- teško.
Prema tome, plinovito stanje je sposobno za prilično brzu reakciju.
Navedimo još jedan primjer: miris boje koji se širi okolo dok farbate proizvode. Izduvni gasovi vozila se takođe difuzuju okruženje stoga, nažalost, trpi ekologija, zagađen je vazduh u velikim i malim gradovima.
Vrijedi napomenuti da je zrak pokretljiv, njegovi molekuli se stalno kreću. Dakle, difuzija sa bilo kojim stranim gasovitim materijama dešava se stalno.
Voda
A sada ukratko razmotrimo šta je difuzija u fizici u odnosu. Zamislimo posudu sa vodom. U to dodajemo malo kalijum permanganata ili neke boje. Proces se može promatrati sve dok voda nije potpuno obojena. Treba napomenuti da se difuzija odvija mnogo brže u vrućoj vodi. To se može pokazati običnom šoljicom čaja ili kafe. Ako u vruća voda dodajte šećer, brzo će se otopiti. Prilikom dodavanja vrhnja vrućoj kafi dolazi i do brzog spajanja kafe i vode, kao i vrhnja.
Prilikom kuhanja supa, supa i umaka, također se opaža difuzija. Treba napomenuti da se toplinska obrada hrane (naime, kuhanje) događa najčešće upravo zbog toga što je potrebno kombinirati jednu tvar s drugom. Na primjer, pileća juha neće ispasti u hladnoj vodi, jer mesni sok mora stupiti u interakciju s vrućom vodom.
Čvrsti proizvodi u industriji
Postoji takvo stanje materije kada je nemoguće odrediti da li je čvrsta ili tečna. Ne znači najviše, već ukupnost. Na primjer, tijesto za palačinke, tečna glina, gusta ulja. Što je difuzija u fizici u odnosu na slične proizvode? Prodor molekula će također ostati. Na primjer, u proizvodnji legura koristi se plastika tečno stanje razni materijali koji su prirodno tvrdi. Ali kada se zagreju, postaju tečni, njihovi molekuli mogu prodrijeti jedan u drugi, odnosno doći će do difuzije. Dakle, postoji mnogo izdržljivih čeličnih, plastičnih proizvoda, materijala.
Difuzija u čvrstim materijama
Ranije smo razmatrali definiciju šta je difuzija u fizici, sada znamo. Logično, ne može biti difuzije u čvrstim materijama. Djelomično jeste. Ali postoje dokazi da uz stalno skladištenje određenih supstanci zajedno, one postaju jedno.
Na primjer, ako se olovo i zlato stave zajedno u jednu kutiju tako da su čvrsto pritisnuti jedno uz drugo, onda će nakon otprilike 5 godina biti spojeni svojim površinama. Stoga, odgovarajući na pitanje šta je difuzija u fizici, razmotrit ćemo apsolutno sve tvari, ali samo jedno stanje.
Hemijski procesi
U zaključku, treba napomenuti da se fenomen difuzije proučava kako u hemiji, tako iu biologiji. Stoga se ovaj termin može sresti ne samo u fizici. Hemičari u laboratorijima neprestano provode razne eksperimente u kojima je takav proces neophodan. Ali glavna tema je obrađena u 7. razredu. Šta je difuzija u fizici i hemiji? Ovo je prilično česta pojava u prirodi i svakodnevnom životu, kao iu proizvodnji nečega.
difuzijom nazvan proces prijenosa materije iz jednog dijela sistema u drugi kao rezultat nasumičnog kretanja čestica. Postoje sljedeće vrste difuzije:
samodifuziju- difuzija čestica jedne supstance, koja se odvija u odsustvu gradijenta bilo kojeg pokretačke snage;
koncentracijska difuzija- kretanje supstance pod uticajem gradijenta koncentracije. Ova difuzija se naziva prema dolje jer se tvar kreće iz područja gdje je njena koncentracija veća u područja gdje je njena koncentracija manja;
termička difuzija- prenos materije pod uticajem temperaturnog gradijenta. Toplotna difuzija je uzrokovana pojavom gradijenta u hemijskom potencijalu difuzne supstance u temperaturnom polju. Supstanca se kreće iz delova sistema u kojima je njen hemijski potencijal veći,
u dijelovima u kojima je njegov hemijski potencijal manji. U tom slučaju se mijenja koncentracija tvari obrnuti smjer a difuzija se naziva uzlaznom;
reaktivna difuzija- kretanje supstance u delove sistema, gde se formira sa drugom komponentom rastvora hemijsko jedinjenje, tj. difuzna tvar se uklanja iz početne faze u zasebnu (na primjer, difuzija ugljika u područja gdje nastaju karbidi, difuzija legirajućih elemenata u područja gdje se formiraju intermetalna jedinjenja). Reaktivna difuzija također uključuje preraspodjelu ugljika između austenitnog šava i feritno-perlitnog osnovnog metala: ugljik difundira u austenit, u kojem je njegova topljivost veća.
Koncentraciona difuzija je najveća jednostavan slučaj i najproučavaniji.
Procesi difuzije koncentracije opisani su jednadžbom Fickovih zakona:
gdje je količina difuzne tvari; dS - površina poprečnog presjeka difuzijskog toka, dτ - vrijeme - gradijent koncentracije, negativan jer difuzija ide od veće koncentracije ka nižoj; D je koeficijent difuzije, .
Fikov zakon važi za niske koncentracije difuzne supstance, daleko od koncentracije zasićenja.
Proces difuzije je sličan distribuciji toplote kroz provođenje toplote. Količina tvari odgovara količini topline, a koncentracija odgovara temperaturi. Stoga se drugi zakon difuzije može izvesti slično kao jednačina topline:
Jednačina (12) najviše izražava Fikov drugi zakon opšti pogled pod pretpostavkom da koeficijent difuzije ovisi o koncentraciji elementa i da je različit u različitim smjerovima. Ako smatramo da je koeficijent difuzije neovisan o koncentraciji, a da je tijelo izotropno, tj. veruj u to 
, tada će izraz (12) biti pojednostavljen:
(13)
, (14)
gdje 
.
U najjednostavnijem slučaju linearne difuzije duž x ose, kada je koncentracija duž y i z osi konstantna, i . Za ovaj slučaj dobijamo
. (15)
Integracija jednadžbe (15) daje ovisnost koncentracije difuzne tvari od koordinate x i vremena τ:
, (16)
gdje 
je Krumpova funkcija argumenta; može se naći u tabeli za date x vrijednosti; D; τ.
Proračun razvoja difuzijskih procesa na osnovu Fickovog drugog zakona je sačuvan za tečne i čvrste medije, ali će koeficijenti difuzije biti mnogo manji nego za plinovite sisteme.
Za gasovite sisteme, koeficijenti difuzije se izračunavaju na osnovu kinetičke teorije gasova:
gdje je λ srednji slobodni put; - prosječna brzina kretanje molekula gasa.
Koeficijenti difuzije u tekućinama mogu se izračunati korištenjem Stokesove jednadžbe:
, (18)
gdje je k Boltzmannova konstanta; T je temperatura; η koeficijent viskoznosti medija; r je polumjer čestice.
Koeficijent difuzije u tečnostima je nekoliko redova veličine manji nego u gasovima. Za teško kristalna tela koeficijenti difuzije su još manji.
Koeficijent difuzije značajno varira ovisno o temperaturi procesa, koncentraciji difuzne tvari, svojstvima medija i prisutnosti treće komponente u leguri.
Difuzija
Primjer difuzije je miješanje plinova (na primjer, širenje mirisa) ili tekućina (ako ispustite mastilo u vodu, tekućina će nakon nekog vremena postati jednolično obojena). Drugi primjer je povezan sa čvrstim tijelom: atomi susjednih metala su pomiješani na kontaktnoj granici. Važna uloga difuzija čestica igra u fizici plazme.
Obično se pod difuzijom podrazumijevaju procesi praćeni prijenosom tvari, međutim, ponekad se difuzijom nazivaju i drugi procesi prijenosa: toplinska provodljivost, viskozno trenje itd.
Brzina difuzije zavisi od mnogih faktora. Dakle, u slučaju metalne šipke, toplotna difuzija se odvija vrlo brzo. Ako je štap napravljen od sintetičkog materijala, termička difuzija se odvija sporo. Difuzija molekula u opštem slučaju teče još sporije. Na primjer, ako se komad šećera spusti na dno čaše vode i voda se ne miješa, bit će potrebno nekoliko sedmica prije nego što otopina postane homogena. Još sporija je difuzija jedne čvrste materije u drugu. Na primjer, ako je bakar presvučen zlatom, tada će doći do difuzije zlata u bakar, ali u normalnim uvjetima (sobna temperatura i atmosferski tlak) sloj koji sadrži zlato će tek nakon nekoliko hiljada godina dostići debljinu od nekoliko mikrona.
Kvantitativni opis procesa difuzije dao je njemački fiziolog A. Fick ( engleski) 1855. godine
opći opis
Sve vrste difuzije podležu istim zakonima. Brzina difuzije je proporcionalna površini poprečnog presjeka uzorka, kao i razlici u koncentracijama, temperaturama ili nabojima (u slučaju relativno malih vrijednosti ovih parametara). Tako će toplota putovati četiri puta brže kroz štap prečnika dva centimetra nego kroz štap prečnika jednog centimetra. Ova toplota će se širiti brže ako je temperaturna razlika po centimetru 10°C umjesto 5°C. Brzina difuzije je također proporcionalna parametru koji karakterizira određeni materijal. U slučaju termičke difuzije, ovaj parametar se naziva toplotna provodljivost, u slučaju toka električnih naboja - električna provodljivost. Količina tvari koja difundira tijekom određenog vremena i udaljenost koju difuzna tvar prijeđe proporcionalni su kvadratni korijen vrijeme difuzije.
Difuzija je proces na molekularnom nivou i određen je nasumičnom prirodom kretanja pojedinačnih molekula. Brzina difuzije je stoga proporcionalna prosječnoj brzini molekula. U slučaju plinova, prosječna brzina malih molekula je veća, naime, obrnuto je proporcionalna kvadratnom korijenu mase molekula i raste s porastom temperature. Procesi difuzije u čvrstim materijama na visoke temperaturečesto se nalaze praktična upotreba. Na primjer, određene vrste katodnih cijevi (CRT) koriste metalni torij difundiran kroz metalni volfram na 2000°C.
Ako je u mješavini plinova masa jednog molekula četiri puta veća od mase drugog, tada se takav molekul kreće dvostruko sporije u odnosu na kretanje u čistom plinu. Shodno tome, njegova brzina difuzije je također niža. Ova razlika u brzinama difuzije između lakih i teških molekula koristi se za razdvajanje supstanci različite molekularne težine. Primjer je odvajanje izotopa. Ako se kroz poroznu membranu propušta plin koji sadrži dva izotopa, lakši izotopi prodiru kroz membranu brže od težih. Radi boljeg odvajanja, proces se provodi u nekoliko faza. Ovaj proces se naširoko koristi za odvajanje izotopa uranijuma (odvajanje 235 U od većine 238 U). Budući da je ova metoda separacije energetski intenzivna, razvijene su druge, ekonomičnije metode odvajanja. Na primjer, upotreba toplinske difuzije u plinovitom mediju je široko razvijena. Gas koji sadrži mješavinu izotopa stavlja se u komoru u kojoj se održava prostorna temperaturna razlika (gradijent). U ovom slučaju, teški izotopi se koncentrišu tokom vremena u hladnom regionu.
Fickove jednadžbe
Sa gledišta termodinamike, pokretački potencijal svakog procesa nivelacije je rast entropije. Pri konstantnom pritisku i temperaturi ulogu takvog potencijala igra hemijski potencijal µ , što uzrokuje održavanje toka materije. Tok čestica supstance je proporcionalan gradijentu potencijala
~U većini praktičnih slučajeva, koncentracija se koristi umjesto hemijskog potencijala C. Direktna zamjena µ na C postaje netačan u slučaju visokih koncentracija, pošto hemijski potencijal prestaje da bude povezan sa koncentracijom prema logaritamskom zakonu. Ako ne uzmemo u obzir takve slučajeve, onda se gornja formula može zamijeniti sljedećim:
što pokazuje da je gustina protoka materije J proporcionalno koeficijentu difuzije D[()] i gradijent koncentracije. Ova jednačina izražava Fikov prvi zakon. Fikov drugi zakon odnosi se na prostorne i vremenske promjene koncentracije (difuziona jednačina):
Koeficijent difuzije D zavisno od temperature. U velikom broju slučajeva, u širokom temperaturnom rasponu, ova zavisnost je Arrheniusova jednačina.
Dodatno polje primenjeno paralelno sa gradijentom hemijskog potencijala prekida stabilno stanje. U ovom slučaju, procesi difuzije su opisani nelinearnom Fokker-Planck-ovom jednačinom. Procesi difuzije su od velike važnosti u prirodi:
- Prehrana, disanje životinja i biljaka;
- Prodiranje kiseonika iz krvi u ljudska tkiva.
Geometrijski opis Fickove jednadžbe
U drugoj Fickovoj jednačini, na lijevoj strani je brzina promjene koncentracije tokom vremena, a na desnoj strani jednačine je drugi parcijalni izvod, koji izražava prostornu raspodjelu koncentracije, posebno konveksnost temperature. funkcija distribucije projektovana na x-osu.
vidi takođe
- Površinska difuzija je proces povezan s kretanjem čestica koje se dešava na površini kondenzovanog tijela unutar prvog površinskog sloja atoma (molekula) ili preko ovog sloja.
Bilješke
Književnost
- Bokshtein B.S. Atomi lutaju kroz kristal. - M.: Nauka, 1984. - 208 str. - (Biblioteka "Kvant", br. 28). - 150.000 primeraka.
Linkovi
- Difuzija (video lekcija, program za 7. razred)
- Difuzija atoma nečistoća na površini jednog kristala
Wikimedia Foundation. 2010 .
Sinonimi:Pogledajte šta je "Difuzija" u drugim rječnicima:
- [lat. diffusio distribucija, širenje] fizički, hemijski. prodiranje molekula jedne supstance (gas, tečnost, čvrsto telo) u drugu kada su u direktnom kontaktu ili kroz poroznu pregradu. Rječnik stranih riječi. Komlev N.G.,… … Rečnik stranih reči ruskog jezika
Difuzija- je prodiranje u medijum čestica jedne supstance čestica druge supstance, koje nastaje kao rezultat toplotnog kretanja u pravcu smanjenja koncentracije druge supstance. [Blum E.E. Rječnik osnovnih metalurških pojmova. Jekaterinburg… Enciklopedija pojmova, definicija i objašnjenja građevinskih materijala
Moderna enciklopedija
- (od latinskog diffusio širenje širenje, disperzija), kretanje čestica medija, koje dovodi do prenošenja materije i poravnanja koncentracija ili do uspostavljanja ravnotežne distribucije koncentracija čestica date vrste u mediju. U nedostatku…… Veliki enciklopedijski rječnik
DIFUZIJA, kretanje tvari u smjesi iz područja visoke koncentracije u područje niske koncentracije uzrokovano nasumičnim kretanjem pojedinačnih atoma ili molekula. Difuzija prestaje kada gradijent koncentracije nestane. Brzina… … Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik
difuzija- i dobro. difuzija f., njemački. Difuzija lat. diffusio širenje, širenje. Uzajamno prodiranje susjednih supstanci jedna u drugu zbog toplinskog kretanja molekula i atoma. Difuzija gasova, tečnosti. BAS 2. || trans. Oni su… … Historical dictionary galicizmi ruskog jezika
Difuzija- (od latinskog diffusio distribucija, širenje, raspršivanje), kretanje čestica medija koje dovodi do prenošenja materije i poravnanja koncentracija ili uspostavljanja njihove ravnotežne distribucije. Difuzija se obično određuje toplinskim kretanjem ... ... Ilustrovani enciklopedijski rječnik
Kretanje čestica u smjeru smanjenja njihove koncentracije, zbog toplinskog kretanja. D. dovodi do usklađivanja koncentracija difuzne supstance i ravnomernog punjenja zapremine česticama. Geološka enciklopedija
- (od lat. diffusio širenje, širenje), međusobno prodiranje onih koji su u kontaktu zbog toplotnog kretanja h c in va. D. se javlja u smjeru smanjenja koncentracije u va i dovodi do njegove ujednačene raspodjele po ... ... Physical Encyclopedia
Širenje, prodor, disperzija, distribucija Rječnik ruskih sinonima. difuzija br., broj sinonima: 9 barodifuzija (1) ... Rečnik sinonima
DIFUZIJA, i žene. (specijalista.). Uzajamno prodiranje čestica jedne tvari u drugu kada dođu u kontakt. D. gasovi. | adj. difuzija, oh, oh. Rječnik Ozhegov. S.I. Ozhegov, N.Yu. Shvedova. 1949 1992 ... Objašnjavajući Ožegovov rječnik
DIFUZIJA -i; i. [od lat. diffusio - distribucija, širenje] 1. Fizički. Uzajamno prodiranje susjednih supstanci jedna u drugu zbog toplinskog kretanja čestica tvari. D. gasovi. D. tečnosti. 2. Interpenetracija, razmjena smth. Objašnjavajući rečnik Kuznjecova
Moramo definirati šta se u fizici podrazumijeva pod pojmom difuzije.
Difuzija
Ovaj koncept je došao do nas Latinski a u prijevodu riječ "diffusio" znači širenje, širenje. Kao što se može razumjeti iz prijevoda, izraz difuzija označava međusobno prodiranje čestica jedne tvari u drugu supstancu pod utjecajem različitih faktora.
Ovaj proces nastaje zbog kretanja molekula supstanci koje se razmatraju. A najupečatljiviji primjer difuzije je miješanje raznih plinova.
Brzina ovih procesa može ovisiti, prije svega, o faktoru kao što je stanje agregacije dotičnih supstanci. Odnosno, kao što možemo razumjeti, u slučajevima s tekućinama i plinovima, ovaj proces će trajati mnogo manje vremena nego, na primjer, s čvrstim tvarima.
Brzina ove reakcije ovisi i o temperaturi tvari. Znamo da se povećanjem temperature povećava brzina kretanja molekula, pa će stoga i brzina miješanja, prodiranje molekula jednog tijela u drugo biti veća.
Drugi faktor koji utiče na brzinu difuzije je pritisak. Ova pojava ima najsloženiji efekat na supstance. Odnosno, ovaj mehanizam smanjuje volumen tvari, broj slobodnih slobodnih mjesta za atome i povećava sadržaj međuprostornih atoma.
Vrste difuzije
Difuzija se u zavisnosti od toga deli na nekoliko tipova agregatna stanja razmatrane supstance:
- difuzija gasova;
- difuzija tečnosti;
- difuzija plazme;
- difuzija kristala;
- difuzija čvrstih materija.