Egy általános iskolában minden hetedikes biztosan megismerkedik fizikából különféle jelenségekkel, amelyek mind a Mindennapi élet valamint ipari környezetben.
Ez a cikk a diffúzióról szól. Kezdetben ez a kifejezés megfélemlítőnek, valami szokatlannak tűnhet. Valójában a gyakran előforduló jelenségek közé tartozik, vagy még inkább azt mondanám, hogy folyamatosan és mindenhol előfordul. Nézzük meg, mi a diffúzió a fizikában, ugyanakkor számos példát hozunk, amelyekből kiderül: nincs semmi bonyolult, és az iskolai tantárgy témája meglehetősen egyszerű és érdekes.
A diffúzió definíciója
A különböző forrásokban más megfogalmazás található, de olyan, amely nem veszíti el eredeti jelentését.
A diffúzió olyan jelenség, amelyben az egyik anyag molekulái behatolnak egy másik anyag molekuláiba. Egy diák ezt a kifejezést túlságosan érthetetlennek és bonyolultnak találhatja. De valójában minden nagyon egyszerű. Mint tudják, a molekula bármely anyag legkisebb részecskéje (még a levegőben és a gázban is). Mindegyik molekulát szerkezeti kötések kötik össze. Minél sűrűbb a szerkezet, annál keményebb a test. Így az egyik anyag molekuláinak a másik molekuláiba való behatolása könnyebb lesz abban az esetben, ha a szerkezet a legegyszerűbb, vagy a molekulák szabadon léteznek.
Ezért hangzik így a meghatározás. Mi a diffúzió a fizikában? Egyszerűen fogalmazva: kapcsolat, két anyag egymásba penetrációja. Ennek eredményeként egységes egész jön létre.
Gáz és levegő
Kezdjük egyszerű példákkal molekuláris vegyületek mint a gázok. A helyzet az, hogy a levegőt a legkönnyebb cserélni. Például parfümöt szórtál be a szobában. Azonnal vagy néhány másodperc múlva már érezhető az aroma. Ebben az esetben már válaszolhatunk arra a kérdésre, hogy mi a diffúzió.
A fizikában minden anyag három fő állapotra oszlik:
- gáznemű;
- folyékony;
- kemény.
Ennek megfelelően a gáz halmazállapotú meglehetősen gyors reakcióra képes.
Mondjunk egy másik példát: a festék szaga terjeng a termékek festése közben. A gépjárművek kipufogógázai is bekerülnek környezet ezért sajnos az ökológia szenved, a levegő szennyezett a nagy- és kisvárosokban.
Érdemes megjegyezni, hogy a levegő mozgékony, molekulái folyamatosan mozognak. Ezért a diffúzió bármilyen idegennel gáznemű anyagok mindig megtörténik.
Víz
És most nézzük meg röviden, hogy mi a diffúzió a fizikában, képzeljünk el egy edényt vízzel. Kevés kálium-permanganátot vagy színezéket adunk hozzá. A folyamat addig figyelhető meg, amíg a víz teljesen el nem színeződik. Meg kell jegyezni, hogy a diffúzió sokkal gyorsabban megy végbe forró vízben. Ezt egy közönséges csésze teával vagy kávéval lehet bizonyítani. Ha be forró víz adjunk hozzá cukrot, hamar feloldódik. Ha tejszínt adunk a forró kávéhoz, akkor a kávé és a víz, valamint a tejszín gyors fúziója is megtörténik.
Levesek, húslevesek és szószok főzésekor diffúzió is megfigyelhető. Meg kell jegyezni, hogy az élelmiszerek hőkezelése (nevezetesen a főzés) leggyakrabban éppen azért történik, mert az egyik anyagot a másikkal kell kombinálni. Például a csirkehúsleves nem válik ki hideg vízben, mert a húslének kölcsönhatásba kell lépnie a forró vízzel.
Szilárd termékek az iparban
Létezik olyan halmazállapot, amikor nem lehet megállapítani, hogy szilárd vagy folyékony. Nem a legtöbbet jelenti, hanem a teljességet. Például palacsintatészta, folyékony agyag, sűrű olajok. Mi a diffúzió a fizikában hasonló termékekkel kapcsolatban? A molekulák behatolása is megmarad. Például az ötvözetek gyártása során műanyagot használnak folyékony halmazállapot különféle anyagok, amelyek természetesen kemények. De hevítve folyékonyak lesznek, molekuláik képesek áthatolni egymásba, vagyis diffúzió lesz. Így számos tartós acél, műanyag termék, anyag létezik.
Diffúzió szilárd anyagokban
Korábban megvizsgáltuk a diffúzió definícióját a fizikában, most már tudjuk. Logikus, hogy szilárd testekben nem lehet diffúzió. Részben az. De bizonyíték van arra, hogy bizonyos anyagok állandó tárolásával eggyé válnak.
Például, ha az ólmot és az aranyat egy dobozba helyezzük úgy, hogy szorosan egymáshoz nyomódjanak, akkor körülbelül 5 év múlva a felületükkel összekapcsolódnak. Ezért arra a kérdésre válaszolva, hogy mi a diffúzió a fizikában, abszolút minden anyagot figyelembe veszünk, de csak egy állapotot.
Kémiai folyamatok
Végezetül meg kell jegyezni, hogy a diffúzió jelenségét a kémia és még a biológia is tanulmányozza. Ezért ezzel a kifejezéssel nemcsak a fizikában találkozhatunk. A kémikusok a laboratóriumokban folyamatosan végeznek különféle kísérleteket, amelyekben egy ilyen eljárás nélkülözhetetlen. De a fő témát a 7. osztály tárgyalja. Mi a diffúzió a fizikában és a kémiában? Ez meglehetősen gyakori jelenség a természetben és a mindennapi életben, valamint valaminek az előállítása során.
diffúzióval A részecskék véletlenszerű mozgása következtében az anyagnak a rendszer egyik részéből a másikba való átvitelének folyamatát nevezzük. A diffúziónak a következő típusai vannak:
öndiffúzió- egy anyag részecskéinek diffúziója, bármely gradiens hiányában vezető erők;
koncentráció diffúzió- egy anyag mozgása koncentrációgradiens hatására. Ezt a diffúziót lefelé irányulónak nevezik, mert az anyag a nagyobb koncentrációjú területekről olyan területekre mozog, ahol a koncentrációja kisebb;
termikus diffúzió- az anyag átadása hőmérsékleti gradiens hatására. A termikus diffúziót az okozza, hogy egy diffundáló anyag kémiai potenciáljában egy hőmérsékleti mezőben egy gradiens jelenik meg. Egy anyag a rendszer azon részeiről mozog, amelyekben nagyobb a kémiai potenciálja,
olyan részeken, ahol kisebb a kémiai potenciálja. Ebben az esetben az anyag koncentrációja megváltozik ellentétes irány a diffúziót pedig emelkedőnek nevezik;
reaktív diffúzió- egy anyag mozgása a rendszer részeibe, ahol az oldat másik komponensével együtt képződik kémiai vegyület, azaz a diffundáló anyagot a kezdeti fázisból egy különálló fázisba távolítják el (például szén diffúziója olyan területekre, ahol karbidok képződnek, ötvözőelemek diffúziója olyan területekre, ahol intermetallikus vegyületek képződnek). A reaktív diffúzió magában foglalja a szén újraeloszlását is az ausztenites varrat és a ferrites-perlites nemesfém között: a szén ausztenitté diffundál, amelyben nagyobb az oldhatósága.
A koncentráció diffúzió a leginkább egyszerű esetés a legtöbbet tanulmányozott.
A koncentráció diffúzió folyamatait a Fick-törvények egyenlete írja le:
hol a szétszóródott anyag mennyisége; dS - a diffúziós áramlás keresztmetszete, dτ - idő - koncentráció gradiens, negatív, mert a diffúzió magasabb koncentrációról alacsonyabbra megy; D a diffúziós együttható,.
A Fick-törvény egy diffundáló anyag alacsony koncentrációjára érvényes, távol a telítési koncentrációtól.
A diffúziós folyamat hasonló a hő hővezetésen keresztüli eloszlásához. Az anyag mennyisége a hőmennyiségnek, a koncentráció pedig a hőmérsékletnek felel meg. Ezért a második diffúziós törvény a hőegyenlethez hasonlóan származtatható:
A (12) egyenlet leginkább Fick második törvényét fejezi ki Általános nézet feltételezve, hogy a diffúziós együttható az elem koncentrációjától függ, és különböző irányokban eltérő. Ha a diffúziós együtthatót a koncentrációtól függetlennek, a testet pedig izotrópnak tekintjük, i.e. Elhinni azt 
, akkor a (12) kifejezés egyszerűsödik:
(13)
, (14)
ahol 
.
Az x tengely mentén történő lineáris diffúzió legegyszerűbb esetben, amikor az y és z tengely mentén a koncentráció állandó, és. Ebben az esetben megkapjuk
. (15)
A (15) egyenlet integrálása megadja a diffundáló anyag koncentrációjának függését az x koordinátától és a τ időtől:
, (16)
ahol 
az argumentum Krump-függvénye; táblázatban található adott x értékeknél; D; τ.
A diffúziós folyamatok alakulásának Fick második törvénye alapján történő számítása megmarad folyékony és szilárd közegekre, de a diffúziós együtthatók jóval kisebbek lesznek, mint a gáznemű rendszerek esetében.
A gáznemű rendszerek esetében a diffúziós együtthatók kiszámítása a gázok kinetikai elmélete alapján történik:
ahol λ az átlagos szabad út; - átlagsebesség gázmolekulák mozgása.
A folyadékok diffúziós együtthatói a Stokes-egyenlet segítségével számíthatók ki:
, (18)
ahol k a Boltzmann-állandó; T hőmérséklet; η a közeg viszkozitási együtthatója; r a részecske sugara.
Folyadékokban a diffúziós együttható több nagyságrenddel kisebb, mint a gázokban. Keményre kristályos testek a diffúziós együtthatók még kisebbek.
A diffúziós együttható jelentősen változik a folyamat hőmérsékletétől, a diffundáló anyag koncentrációjától, a közeg tulajdonságaitól, valamint egy harmadik komponens ötvözetben való jelenlététől függően.
Diffúzió
A diffúzióra példa a gázok keveredése (például a szagok terjedése) vagy a folyadékok (ha tintát cseppent a vízbe, a folyadék egy idő után egyenletes színűvé válik). Egy másik példa a szilárd testhez kapcsolódik: a szomszédos fémek atomjai az érintkezési határon keverednek. Fontos szerep a részecskediffúzió a plazmafizikában játszik szerepet.
Általában diffúzió alatt az anyag átadásával járó folyamatokat értjük, néha azonban más átviteli folyamatokat is diffúziónak neveznek: hővezető képesség, viszkózus súrlódás stb.
A diffúzió sebessége sok tényezőtől függ. Tehát egy fémrúd esetében a hődiffúzió nagyon gyorsan megy végbe. Ha a rúd szintetikus anyagból készül, a hődiffúzió lassan megy végbe. A molekulák diffúziója általában még lassabban megy végbe. Például, ha egy darab cukrot leeresztenek egy pohár víz aljára, és a vizet nem keverik, néhány hétbe telhet, amíg az oldat homogénné válik. Még lassabb az egyik szilárd anyag diffúziója a másikba. Például, ha a rezet arannyal vonják be, akkor az arany rézré diffúziója megy végbe, de normál körülmények között (szobahőmérséklet és légköri nyomás) az aranyat hordozó réteg csak több ezer év múlva éri el a több mikronos vastagságot.
A diffúziós folyamatok kvantitatív leírását A. Fick német fiziológus ( angol) 1855-ben
Általános leírása
A diffúzió minden típusa ugyanazoknak a törvényeknek engedelmeskedik. A diffúziós sebesség arányos a minta keresztmetszeti területével, valamint a koncentrációk, hőmérsékletek vagy töltések különbségével (ha ezeknek a paramétereknek viszonylag kis értékei vannak). Így a hő négyszer gyorsabban halad át egy két centiméter átmérőjű rúdon, mint egy egy centiméter átmérőjű rúdon. Ez a hő gyorsabban terjed, ha a hőmérséklet-különbség centiméterenként 10°C 5°C helyett. A diffúziós sebesség is arányos az adott anyagot jellemző paraméterrel. Termikus diffúzió esetén ezt a paramétert hővezető képességnek, elektromos töltések áramlása esetén elektromos vezetőképességnek nevezik. Egy adott idő alatt kidiffundáló anyag mennyisége és a diffundáló anyag által megtett távolság arányos négyzetgyök diffúziós idő.
A diffúzió molekuláris szintű folyamat, amelyet az egyes molekulák mozgásának véletlenszerű természete határozza meg. A diffúziós sebesség tehát arányos a molekulák átlagos sebességével. Gázok esetén a kis molekulák átlagsebessége nagyobb, vagyis fordítottan arányos a molekula tömegének négyzetgyökével, és a hőmérséklet emelkedésével növekszik. Diffúziós folyamatok szilárd anyagokban at magas hőmérsékletek gyakran megtalálható gyakorlati használat. Például bizonyos típusú katódsugárcsövek (CRT) fémes tóriumot használnak, amely 2000 °C-on fémes volfrámon keresztül van diffundálva.
Ha gázkeverékben az egyik molekula tömege négyszer nagyobb, mint a másiké, akkor egy ilyen molekula kétszer lassabban mozog, mint egy tiszta gázban. Ennek megfelelően a diffúziós sebessége is kisebb. A könnyű és nehéz molekulák diffúziós sebességének ezt a különbségét a különböző molekulatömegű anyagok elkülönítésére használják. Ilyen például az izotópszétválasztás. Ha egy porózus membránon két izotópot tartalmazó gázt vezetünk át, a könnyebb izotópok gyorsabban hatolnak át a membránon, mint a nehezebbek. A jobb elválasztás érdekében az eljárást több szakaszban hajtják végre. Ezt az eljárást széles körben alkalmazzák az uránizotópok szétválasztására (235 U elválasztása a 238 U nagy részétől). Mivel ez az elválasztási módszer energiaigényes, más, gazdaságosabb elválasztási módszereket fejlesztettek ki. Például a hődiffúzió gázhalmazállapotú közegben történő alkalmazása széles körben elterjedt. Az izotópok keverékét tartalmazó gázt egy kamrába helyezzük, amelyben a térbeli hőmérséklet-különbség (gradiens) megmarad. Ebben az esetben a nehéz izotópok idővel a hideg régióban koncentrálódnak.
Fick egyenletei
A termodinamika szempontjából minden szintezési folyamat hajtóereje az entrópia növekedése. Állandó nyomáson és hőmérsékleten az ilyen potenciál szerepét a kémiai potenciál játssza µ , ami az anyagáramlás fenntartását okozza. Az anyagrészecskék fluxusa arányos a potenciális gradienssel
~A legtöbb gyakorlati esetben a koncentrációt használják a kémiai potenciál helyett C. Közvetlen csere µ a C nagy koncentrációk esetén hibássá válik, mivel a kémiai potenciál a logaritmikus törvény szerint megszűnik a koncentrációhoz kötni. Ha nem vesszük figyelembe az ilyen eseteket, akkor a fenti képlet a következővel helyettesíthető:
ami azt mutatja, hogy az anyag fluxussűrűsége J arányos a diffúziós együtthatóval D[()] és a koncentráció gradiens. Ez az egyenlet fejezi ki Fick első törvényét. Fick második törvénye a koncentráció térbeli és időbeli változásaira vonatkozik (diffúziós egyenlet):
Diffúziós együttható D hőmérséklet függő. Számos esetben széles hőmérsékleti tartományban ez a függés az Arrhenius-egyenlet.
A kémiai potenciálgradienssel párhuzamosan alkalmazott további mező megtöri az egyensúlyi állapotot. Ebben az esetben a diffúziós folyamatokat a nemlineáris Fokker-Planck egyenlet írja le. A diffúziós folyamatok nagy jelentőséggel bírnak a természetben:
- Állatok és növények táplálkozása, légzése;
- Az oxigén behatolása a vérből az emberi szövetekbe.
A Fick-egyenlet geometriai leírása
A második Fick-egyenletben a bal oldalon a koncentráció időbeli változásának sebessége, az egyenlet jobb oldalán pedig a második parciális derivált található, amely a koncentráció térbeli eloszlását, különösen a hőmérséklet konvexitását fejezi ki. eloszlásfüggvény az x tengelyre vetítve.
Lásd még
- A felületi diffúzió egy olyan folyamat, amely a kondenzált test felületén az atomok (molekulák) első felületi rétegén belül vagy ezen a rétegen belül a részecskék mozgásával kapcsolatos.
Megjegyzések
Irodalom
- Bokstein B.S. Az atomok vándorolnak a kristályon. - M .: Nauka, 1984. - 208 p. - ("Kvantum" könyvtár, 28. szám). - 150 000 példányban.
Linkek
- Diffúzió (videóóra, 7. osztályos program)
- Szennyező atomok diffúziója egy kristály felületén
Wikimédia Alapítvány. 2010 .
Szinonimák:Nézze meg, mi a "diffúzió" más szótárakban:
- [lat. diffúziós eloszlás, terjedés] fizikai, kémiai. egy anyag molekuláinak behatolása (gáz, folyadék, szilárd test) egy másikba, amikor közvetlenül érintkeznek, vagy egy porózus válaszfalon keresztül. Idegen szavak szótára. Komlev N.G.,…… Orosz nyelv idegen szavak szótára
Diffúzió- egy anyag részecskéinek egy másik anyag részecskéinek behatolása a közegbe, amely egy másik anyag koncentrációjának csökkenése irányába történő hőmozgás eredményeként következik be. [Blum E.E. Alapvető kohászati szakkifejezések szótára. Jekatyerinburg… Építőanyagok kifejezések, definíciók és magyarázatok enciklopédiája
Modern Enciklopédia
- (a latin diffusio szóródás szóródás, szóródás szóból), a közeg részecskéinek mozgása, ami az anyag átadásához és a koncentrációk egymáshoz igazodásához, vagy az adott típusú részecskék közegbeli koncentrációinak egyensúlyi eloszlásának kialakításához vezet. Ennek hiányában… … Nagy enciklopédikus szótár
DIFFÚZIÓ, egy anyag mozgása egy keverékben egy nagy koncentrációjú területről egy alacsony koncentrációjú területre, amelyet az egyes atomok vagy molekulák véletlenszerű mozgása okoz. A diffúzió leáll, amikor a koncentrációgradiens eltűnik. Sebesség…… Tudományos és műszaki enciklopédikus szótár
diffúzió- és hát. diffúzió f., német. Diffúziós lat. diffúzió terjed, terjed. A szomszédos anyagok egymásba való kölcsönös behatolása a molekulák és atomok hőmozgása következtében. Gázok, folyadékok diffúziója. BAS 2. || ford. Ők… … Történelmi szótár az orosz nyelv gallicizmusai
Diffúzió- (a latin diffusio eloszlás, szétterülés, szóródás) a közeg részecskéinek mozgása, ami az anyag átadásához és a koncentrációk egymáshoz igazodásához vagy egyensúlyi eloszlásának megállapításához vezet. A diffúziót általában a hőmozgás határozza meg ...... Illusztrált enciklopédikus szótár
A részecskék mozgása a koncentrációjuk csökkenésének irányába, a hőmozgás következtében. A D. a diffundáló anyag koncentrációinak összehangolásához és a térfogat részecskékkel való egyenletes feltöltéséhez vezet. Földtani Enciklopédia
- (lat. diffusio terjedésből, terjedésből), az egymással érintkezők kölcsönös behatolása hőmozgás hatására h c in va. A D. a koncentráció csökkenésének irányában fordul elő va-ban, és egyenletes eloszlásához vezet a ... ... Fizikai Enciklopédia
Terjeszkedés, penetráció, szóródás, terjesztés Orosz szinonimák szótára. diffúzió n., szinonimák száma: 9 barodiffúzió (1) ... Szinonima szótár
DIFFÚZIÓ, és, feleségek. (szakember.). Az egyik anyag részecskéinek kölcsönös behatolása a másikba, amikor érintkezésbe kerülnek. D. gázok. | adj. diffúzió, oh, oh. Szótár Ozsegov. S.I. Ozhegov, N. Yu. Shvedova. 1949 1992... Ozhegov magyarázó szótára
DIFFÚZIÓ -és; jól. [a lat. diffusio - terjesztés, terjedés] 1. Fizikai. A szomszédos anyagok egymásba való kölcsönös behatolása az anyag részecskéinek hőmozgása következtében. D. gázok. D. folyadékok. 2. áthatolás, felcserélés vminek Kuznyecov magyarázó szótára
Meg kell határoznunk, mit értünk a fizikában a diffúzió fogalma alatt.
Diffúzió
Ez a koncepció onnan jött hozzánk latinés fordításban a "diffusio" szó terjedést, terjedést jelent. Amint a fordításból megérthető, a diffúzió kifejezés egy anyag részecskéinek kölcsönös behatolását jelenti egy másik anyagba különböző tényezők hatására.
Ez a folyamat a vizsgált anyagok molekuláinak mozgásának köszönhető. A diffúzió legszembetűnőbb példája pedig a különféle gázok keveredése.
E folyamatok sebessége mindenekelőtt olyan tényezőtől függhet, mint a kérdéses anyagok aggregációs állapota. Vagyis, mint tudjuk, folyadékok és gázok esetén ez a folyamat sokkal kevesebb időt vesz igénybe, mint például szilárd anyagok esetén.
Ennek a reakciónak a sebessége az anyagok hőmérsékletétől is függ. Tudjuk, hogy a hőmérséklet növekedésével a molekulák mozgási sebessége növekszik, ezért a keveredés sebessége, az egyik test molekuláinak a másikba való behatolása nagyobb lesz.
A diffúzió sebességét befolyásoló másik tényező a nyomás. Ez a jelenség a legösszetettebb hatással van az anyagokra. Vagyis ez a mechanizmus csökkenti az anyagok mennyiségét, az atomok szabad üresedéseinek számát és növeli az intersticiális atomok tartalmát.
A diffúzió típusai
A diffúzió több típusra oszlik attól függően aggregált állapotok figyelembe vett anyagok:
- gázok diffúziója;
- folyadékok diffúziója;
- plazmadiffúzió;
- kristályok diffúziója;
- szilárd anyagok diffúziója.