A scuola di educazione generale ogni settimo anno è sicuro di conoscere in fisica vari fenomeni che possono essere trovati in entrambi Vita di ogni giorno così come negli ambienti industriali.
Questo articolo riguarda la diffusione. Inizialmente, questo termine può sembrare intimidatorio, qualcosa di insolito. In effetti, è uno dei fenomeni che si incontrano di frequente, o meglio, anche dire che si verifica costantemente e ovunque. Diamo un'occhiata a cos'è la diffusione in fisica, allo stesso tempo daremo molti esempi che chiariranno: non c'è niente di complicato e l'argomento della materia scolastica è abbastanza semplice e interessante.
Definizione di diffusione
In diverse fonti puoi trovare una dicitura diversa, ma che non perde il suo significato originale.
La diffusione è un fenomeno in cui le molecole di una sostanza penetrano nelle molecole di un'altra sostanza. Uno studente può trovare questa frase troppo incomprensibile e complicata. Ma in realtà, tutto è abbastanza facile. Come sapete, una molecola è la particella più piccola di qualsiasi sostanza (anche l'aria e il gas ce l'hanno). Ogni molecola è interconnessa da legami strutturali. Più densa è la struttura, più duro è il corpo. Pertanto, la penetrazione delle molecole di una sostanza nelle molecole di un'altra sarà più facile nel caso in cui la struttura sia la più semplice o le molecole esistano liberamente.
Ecco perché la definizione suona così. Che cos'è la diffusione in fisica? In poche parole: connessione, penetrazione di due sostanze l'una nell'altra. Di conseguenza, si forma un unico tutto.
Gas e aria
Iniziamo guardando semplici esempi composti molecolari come i gas. Il fatto è che l'aria è la più facile da cambiare. Ad esempio, hai spruzzato del profumo nella stanza. Immediatamente o dopo pochi secondi, l'aroma si sente già. In questo caso, possiamo già rispondere alla domanda su cosa sia la diffusione.
In fisica, tutte le sostanze sono divise in tre stati principali:
- gassoso;
- liquido;
- difficile.
Di conseguenza, lo stato gassoso è in grado di reagire abbastanza rapidamente.
Facciamo un altro esempio: l'odore della vernice che si diffonde mentre si dipingono i prodotti. Anche i gas di scarico dei veicoli vengono diffusi ambiente quindi, purtroppo, l'ecologia soffre, l'aria è inquinata nelle grandi e nelle piccole città.
Vale la pena notare che l'aria è mobile, le sue molecole sono costantemente in movimento. Pertanto, diffusione con qualsiasi estero sostanze gassose Succede tutte le volte.
Acqua
E ora consideriamo brevemente cosa sia la diffusione in fisica in relazione: immaginiamo un vaso con l'acqua. Aggiungiamo un po 'di permanganato di potassio o una sostanza colorante. Il processo può essere osservato fino a quando l'acqua non è completamente colorata. Va notato che la diffusione avviene molto più velocemente nell'acqua calda. Questo può essere dimostrato da una normale tazza di tè o caffè. Se aggiungi lo zucchero all'acqua calda, si dissolverà rapidamente. Quando si aggiunge la panna al caffè caldo, c'è anche una rapida fusione di caffè e acqua, oltre alla panna.
Quando si cucinano zuppe, brodi e salse si osserva anche la diffusione. Va notato che il trattamento termico degli alimenti (vale a dire la cottura) si verifica più spesso proprio perché è necessario combinare una sostanza con un'altra. Diciamo che il brodo di pollo non funziona acqua fredda, perché il succo di carne deve interagire con l'acqua calda.
Prodotti solidi nell'industria
C'è un tale stato della materia quando è impossibile determinare se è solido o liquido. Non significa il massimo, ma la totalità. Ad esempio, pasta per pancake, argilla liquida, oli densi. Che cos'è la diffusione in fisica in relazione a prodotti simili? Rimarrà anche la penetrazione delle molecole. Ad esempio, nella produzione di leghe, viene utilizzata la plastica stato liquido vari materiali che sono naturalmente duri. Ma quando riscaldati diventano liquidi, le loro molecole sono in grado di penetrare l'una nell'altra, cioè ci sarà diffusione. Pertanto, ci sono molti acciai durevoli, prodotti in plastica, materiali.
Diffusione nei solidi
In precedenza abbiamo considerato la definizione di cosa sia la diffusione in fisica, ora lo sappiamo. Logicamente, non ci può essere diffusione nei solidi. In parte lo è. Ma ci sono prove che con l'immagazzinamento costante di determinate sostanze, diventano una cosa sola.
Ad esempio, se il piombo e l'oro vengono messi insieme in una scatola in modo che siano strettamente premuti l'uno contro l'altro, dopo circa 5 anni saranno collegati dalle loro superfici. Pertanto, rispondendo alla domanda su cosa sia la diffusione in fisica, considereremo assolutamente tutte le sostanze, ma solo uno stato.
Processi chimici
In conclusione, va notato che il fenomeno della diffusione è studiato sia in chimica che anche in biologia. Pertanto, questo termine può essere incontrato non solo in fisica. I chimici nei laboratori conducono costantemente vari esperimenti in cui un tale processo è indispensabile. Ma l'argomento principale è trattato in 7a elementare. Che cos'è la diffusione in fisica e chimica? Questo è un fenomeno abbastanza comune in natura e nella vita di tutti i giorni, così come nella produzione di qualcosa.
per diffusione chiamato il processo di trasferimento di materia da una parte all'altra del sistema come risultato del movimento casuale delle particelle. Esistono i seguenti tipi di diffusione:
autodiffusione- diffusione di particelle di una sostanza, procedendo in assenza di gradiente qualsiasi forze motrici;
diffusione della concentrazione- il movimento di una sostanza sotto l'influenza di un gradiente di concentrazione. Questa diffusione è detta discendente perché la sostanza si sposta da zone dove la sua concentrazione è maggiore verso zone dove la sua concentrazione è minore;
diffusione termica- il trasferimento di materia sotto l'influenza di un gradiente di temperatura. La diffusione termica è causata dalla comparsa di un gradiente nel potenziale chimico di una sostanza diffondente in un campo di temperatura. Una sostanza si muove da parti del sistema in cui il suo potenziale chimico è maggiore,
nelle parti in cui il suo potenziale chimico è inferiore. In questo caso, la concentrazione della sostanza cambia direzione inversa e la diffusione si chiama ascendente;
diffusione reattiva- movimento di una sostanza verso parti del sistema, dove si forma con un altro componente della soluzione composto chimico, cioè. la sostanza diffondente viene rimossa dalla fase iniziale in una fase separata (ad esempio diffusione di carbonio nelle aree in cui si formano i carburi, diffusione di elementi di lega nelle aree in cui si formano composti intermetallici). La diffusione reattiva comprende anche la ridistribuzione del carbonio tra la saldatura austenitica e il metallo di base ferritico-perlitico: il carbonio si diffonde nell'austenite, in cui la sua solubilità è maggiore.
La diffusione della concentrazione è la massima caso semplice e il più studiato.
I processi di diffusione della concentrazione sono descritti dall'equazione delle leggi di Fick:
dov'è la quantità di sostanza diffusa; dS - area della sezione trasversale del flusso di diffusione, dτ - tempo - gradiente di concentrazione, negativo perché la diffusione passa da una concentrazione maggiore ad una minore; D è il coefficiente di diffusione, .
La legge di Fick è valida per basse concentrazioni di una sostanza diffondente, lontane dalla concentrazione di saturazione.
Il processo di diffusione è simile alla distribuzione del calore attraverso la conduzione del calore. La quantità di una sostanza corrisponde alla quantità di calore e la concentrazione corrisponde alla temperatura. Pertanto, la seconda legge di diffusione può essere derivata in modo simile all'equazione del calore:
L'equazione (12) esprime al meglio la seconda legge di Fick vista generale nell'ipotesi che il coefficiente di diffusione dipenda dalla concentrazione dell'elemento e sia diverso nelle diverse direzioni. Se consideriamo il coefficiente di diffusione indipendente dalla concentrazione e il corpo isotropo, cioè credilo 
, quindi l'espressione (12) sarà semplificata:
(13)
, (14)
dove 
.
Nel caso più semplice di diffusione lineare lungo l'asse x, quando la concentrazione lungo gli assi yez è costante, e . Per questo caso, otteniamo
. (15)
L'integrazione dell'equazione (15) fornisce la dipendenza della concentrazione della sostanza diffondente dalla coordinata x e dal tempo τ:
, (16)
dove 
è la funzione di Krump dell'argomento; può essere trovato nella tabella per dati x valori; D; τ.
Il calcolo dello sviluppo dei processi di diffusione sulla base della seconda legge di Fick è preservato per i mezzi liquidi e solidi, ma i coefficienti di diffusione saranno molto inferiori rispetto ai sistemi gassosi.
Per i sistemi gassosi, i coefficienti di diffusione sono calcolati sulla base della teoria cinetica dei gas:
dove λ è il cammino libero medio; - velocità media movimento delle molecole di gas.
I coefficienti di diffusione nei liquidi possono essere calcolati utilizzando l'equazione di Stokes:
, (18)
dove k è la costante di Boltzmann; T è la temperatura; η è il coefficiente di viscosità del mezzo; r è il raggio della particella.
Il coefficiente di diffusione nei liquidi è di diversi ordini di grandezza inferiore a quello dei gas. Per difficile corpi cristallini i coefficienti di diffusione sono ancora più piccoli.
Il coefficiente di diffusione varia notevolmente a seconda della temperatura di processo, della concentrazione della sostanza diffondente, delle proprietà del mezzo e della presenza di un terzo componente nella lega.
Diffusione
Un esempio di diffusione è la miscelazione di gas (ad esempio la diffusione di odori) o di liquidi (se si lascia cadere l'inchiostro nell'acqua, il liquido diventerà uniformemente colorato dopo un po'). Un altro esempio è connesso con un corpo solido: gli atomi di metalli adiacenti sono mescolati al confine di contatto. Ruolo importante la diffusione delle particelle gioca nella fisica del plasma.
Solitamente, la diffusione è intesa come processi accompagnati dal trasferimento di materia, tuttavia, a volte vengono chiamati anche altri processi di trasferimento: conducibilità termica, attrito viscoso, ecc.
La velocità di diffusione dipende da molti fattori. Quindi, nel caso di un'asta metallica, la diffusione termica avviene molto rapidamente. Se l'asta è in materiale sintetico, la diffusione termica procede lentamente. La diffusione di molecole nel caso generale procede ancora più lentamente. Ad esempio, se un pezzo di zucchero viene abbassato sul fondo di un bicchiere d'acqua e l'acqua non viene mescolata, ci vorranno diverse settimane prima che la soluzione diventi omogenea. Ancora più lenta è la diffusione di un solido nell'altro. Ad esempio, se il rame è rivestito di oro, si verificherà la diffusione dell'oro nel rame, ma in condizioni normali (temperatura ambiente e pressione atmosferica), lo strato contenente oro raggiungerà uno spessore di diversi micron solo dopo diverse migliaia di anni.
Una descrizione quantitativa dei processi di diffusione è stata fornita dal fisiologo tedesco A. Fick ( inglese) nel 1855
descrizione generale
Tutti i tipi di diffusione obbediscono alle stesse leggi. La velocità di diffusione è proporzionale all'area della sezione trasversale del campione, nonché alla differenza di concentrazioni, temperature o cariche (nel caso di valori relativamente piccoli di questi parametri). Pertanto, il calore viaggerà quattro volte più velocemente attraverso un'asta di due centimetri di diametro che attraverso un'asta di un centimetro di diametro. Questo calore si diffonderà più velocemente se la differenza di temperatura per centimetro è di 10°C invece di 5°C. La velocità di diffusione è anche proporzionale al parametro che caratterizza uno specifico materiale. Nel caso della diffusione termica, questo parametro è chiamato conducibilità termica, nel caso di un flusso di cariche elettriche - conducibilità elettrica. La quantità di una sostanza che si diffonde in un certo tempo e la distanza percorsa dalla sostanza che diffonde sono proporzionali radice quadrata tempo di diffusione.
La diffusione è un processo a livello molecolare ed è determinato dalla natura casuale del movimento delle singole molecole. La velocità di diffusione è quindi proporzionale alla velocità media delle molecole. Nel caso dei gas, la velocità media delle piccole molecole è maggiore, ovvero è inversamente proporzionale alla radice quadrata della massa della molecola e aumenta all'aumentare della temperatura. Processi di diffusione nei solidi a alte temperature spesso trovato uso pratico. Ad esempio, alcuni tipi di tubi catodici (CRT) utilizzano torio metallico diffuso attraverso tungsteno metallico a 2000°C.
Se in una miscela di gas la massa di una molecola è quattro volte maggiore dell'altra, allora tale molecola si muove due volte più lentamente rispetto al suo movimento in un gas puro. Di conseguenza, anche la sua velocità di diffusione è inferiore. Questa differenza di velocità di diffusione tra molecole leggere e pesanti viene utilizzata per separare sostanze con diversi pesi molecolari. Un esempio è la separazione degli isotopi. Se un gas contenente due isotopi viene fatto passare attraverso una membrana porosa, gli isotopi più leggeri penetrano nella membrana più velocemente di quelli più pesanti. Per una migliore separazione, il processo viene eseguito in più fasi. Questo processo è stato ampiamente utilizzato per la separazione degli isotopi dell'uranio (separazione di 235 U dalla maggior parte di 238 U). Poiché questo metodo di separazione è ad alta intensità energetica, sono stati sviluppati altri metodi di separazione più economici. Ad esempio, l'uso della diffusione termica in un mezzo gassoso è ampiamente sviluppato. Un gas contenente una miscela di isotopi viene posto in una camera in cui viene mantenuta una differenza di temperatura spaziale (gradiente). In questo caso, gli isotopi pesanti si concentrano nel tempo nella regione fredda.
Le equazioni di Fick
Dal punto di vista della termodinamica, il potenziale trainante di qualsiasi processo di livellamento è la crescita dell'entropia. A pressione e temperatura costanti, il ruolo di tale potenziale è svolto dal potenziale chimico µ , provocando il mantenimento del flusso della materia. Il flusso di particelle di sostanza è proporzionale al gradiente potenziale
~Nella maggior parte dei casi pratici, al posto del potenziale chimico viene utilizzata la concentrazione C. Sostituzione diretta µ sul C diventa errato nel caso di concentrazioni elevate, poiché il potenziale chimico cessa di essere correlato alla concentrazione secondo la legge logaritmica. Se non consideriamo tali casi, la formula sopra può essere sostituita dalla seguente:
che mostra che la densità di flusso della materia J proporzionale al coefficiente di diffusione D[()] e il gradiente di concentrazione. Questa equazione esprime la prima legge di Fick. La seconda legge di Fick mette in relazione i cambiamenti spaziali e temporali nella concentrazione (equazione di diffusione):
Coefficiente di diffusione D dipendente dalla temperatura. In un certo numero di casi, in un ampio intervallo di temperature, questa dipendenza è l'equazione di Arrhenius.
Un campo aggiuntivo applicato parallelamente al gradiente del potenziale chimico interrompe lo stato stazionario. In questo caso, i processi di diffusione sono descritti dall'equazione di Fokker-Planck non lineare. I processi di diffusione sono di grande importanza in natura:
- Alimentazione, respirazione di animali e piante;
- La penetrazione dell'ossigeno dal sangue nei tessuti umani.
Descrizione geometrica dell'equazione di Fick
Nella seconda equazione di Fick, sul lato sinistro c'è il tasso di variazione della concentrazione nel tempo, e sul lato destro dell'equazione c'è la seconda derivata parziale, che esprime la distribuzione spaziale della concentrazione, in particolare la convessità della temperatura funzione di distribuzione proiettata sull'asse x.
Guarda anche
- La diffusione superficiale è un processo associato al movimento delle particelle che si verificano sulla superficie di un corpo condensato all'interno del primo strato superficiale di atomi (molecole) o sopra questo strato.
Appunti
Letteratura
- Bokshtein BS Gli atomi vagano attraverso il cristallo. - M.: Nauka, 1984. - 208 pag. - (Biblioteca "Quantum", Edizione 28). - 150.000 copie.
Collegamenti
- Diffusione (video lezione, programma 7th grade)
- Diffusione di atomi di impurità sulla superficie di un singolo cristallo
Fondazione Wikimedia. 2010.
Sinonimi:Guarda cos'è "Diffusion" in altri dizionari:
- [lat. diffusio distribuzione, diffusione] fisico, chimico. penetrazione di molecole di una sostanza (gas, liquido, corpo solido) in un altro quando sono in contatto diretto o attraverso una partizione porosa. Dizionario di parole straniere. Komlev NG,… … Dizionario di parole straniere della lingua russa
Diffusione- è la penetrazione nel mezzo di particelle di una sostanza di particelle di un'altra sostanza, che si verifica a seguito del movimento termico nella direzione di diminuire la concentrazione di un'altra sostanza. [Blum E.E. Dizionario dei termini metallurgici di base. Ekaterinburg… Enciclopedia di termini, definizioni e spiegazioni dei materiali da costruzione
Enciclopedia moderna
- (dal latino diffusio diffusione diffusione, dispersione), il movimento delle particelle del mezzo, che porta al trasferimento di materia e all'allineamento delle concentrazioni o all'instaurazione di una distribuzione di equilibrio delle concentrazioni di particelle di un dato tipo nel mezzo. In assenza di… … Grande dizionario enciclopedico
DIFFUSIONE, il movimento di una sostanza in una miscela da un'area ad alta concentrazione ad un'area a bassa concentrazione, causata dal movimento casuale di singoli atomi o molecole. La diffusione si interrompe quando il gradiente di concentrazione scompare. Velocità… … Scientifico e tecnico dizionario enciclopedico
diffusione- e bene. diffusione f., tedesco. Diffusione lat. diffusione diffusione, diffusione. Penetrazione reciproca di sostanze adiacenti l'una nell'altra a causa del movimento termico di molecole e atomi. Diffusione di gas, liquidi. BAS 2. || trans. Sono… … Dizionario storico gallicismi della lingua russa
Diffusione- (dal latino diffusio distribuzione, diffusione, dispersione), il movimento delle particelle del mezzo, che porta al trasferimento di materia e all'allineamento delle concentrazioni o all'instaurazione della loro distribuzione di equilibrio. La diffusione è solitamente determinata dal movimento termico ... ... Dizionario enciclopedico illustrato
Il movimento delle particelle nella direzione di diminuire la loro concentrazione, a causa del movimento termico. D. porta all'allineamento delle concentrazioni della sostanza diffondente e al riempimento uniforme del volume con le particelle. ... ... Enciclopedia geologica
- (dal lat. diffusio spargere, spargere), penetrazione reciproca di quelli in contatto tra loro per movimento termico h c in va. D. si verifica nella direzione della concentrazione decrescente in va e porta alla sua distribuzione uniforme su ... ... Enciclopedia fisica
Diffusione, penetrazione, dispersione, distribuzione Dizionario dei sinonimi russi. diffusione n., numero di sinonimi: 9 barodiffusion (1) ... Dizionario dei sinonimi
DIFFUSIONE, e, mogli. (specialista.). La reciproca penetrazione di particelle di una sostanza nell'altra quando entrano in contatto. D. gas. | agg. diffusione, oh, oh. Dizionario Ozhegov. SI Ozhegov, N.Yu. Shvedova. 1949 1992 ... Dizionario esplicativo di Ozhegov
DIFFUSIONE -e; e. [dal lat. diffusio - distribuzione, diffusione] 1. Fisico. Penetrazione reciproca di sostanze adiacenti l'una nell'altra a causa del movimento termico delle particelle della sostanza. D. gas. D. fluidi. 2. Interpenetrazione, interscambio di smth. Dizionario esplicativo di Kuznetsov
Dobbiamo definire cosa si intende in fisica con il concetto di diffusione.
Diffusione
Questo concetto ci è venuto da latino e in traduzione la parola "diffusio" significa diffondere, diffondere. Come si può capire dalla traduzione, il termine diffusione significa la reciproca penetrazione di particelle di una sostanza in un'altra sostanza sotto l'influenza di vari fattori.
Questo processo è dovuto al movimento delle molecole delle sostanze in esame. E l'esempio più eclatante di diffusione è la miscelazione di vari gas.
La velocità di tali processi può dipendere, in primo luogo, da un fattore quale lo stato di aggregazione delle sostanze in questione. Cioè, come possiamo capire, nei casi con liquidi e gas, questo processo richiederà molto meno tempo rispetto, ad esempio, ai solidi.
La velocità di questa reazione dipende anche dalla temperatura delle sostanze. Sappiamo che con un aumento della temperatura aumenta la velocità di movimento delle molecole, e quindi la velocità di miscelazione, la penetrazione delle molecole di un corpo nell'altro sarà maggiore.
Un altro fattore che influenza la velocità di diffusione è la pressione. Questo fenomeno ha l'effetto più complesso sulle sostanze. Cioè, questo meccanismo riduce il volume delle sostanze, il numero di posti liberi per gli atomi e aumenta il contenuto di atomi interstiziali.
Tipi di diffusione
La diffusione è divisa in diversi tipi a seconda stati aggregati sostanze considerate:
- diffusione di gas;
- diffusione di liquidi;
- diffusione del plasma;
- diffusione di cristalli;
- diffusione dei solidi.