LA scoala de invatamant general fiecare elev de clasa a șaptea este sigur că se va familiariza în fizică cu diverse fenomene care pot fi întâlnite atât în Viata de zi cu zi cât şi în medii industriale.
Acest articol este despre difuzare. Inițial, acest termen poate părea intimidant, ceva neobișnuit. De fapt, este unul dintre fenomenele frecvent întâlnite, sau mai bine zis, chiar să spunem că apare constant și peste tot. Să aruncăm o privire la ce este difuzarea în fizică, în același timp vom da multe exemple care să lămurească: nu este nimic complicat, iar subiectul materiei școlare este destul de simplu și interesant.
Definiţia diffusion
În diferite surse puteți găsi o formulare diferită, dar care nu își pierde sensul inițial.
Difuzia este un fenomen în care moleculele unei substanțe pătrund în moleculele altei substanțe. Un elev poate considera această expresie prea de neînțeles și complicată. Dar, de fapt, totul este destul de ușor. După cum știți, o moleculă este cea mai mică particulă din orice substanță (chiar și aerul și gazul o au). Fiecare moleculă este interconectată prin legături structurale. Cu cât structura este mai densă, cu atât corpul este mai dur. Astfel, patrunderea moleculelor unei substante in moleculele alteia va fi mai usoara in cazul in care structura este cea mai simpla sau moleculele exista liber.
De aceea, definiția sună așa. Ce este difuzia în fizică? Mai simplu spus: conexiune, pătrunderea a două substanțe una în alta. Ca rezultat, se formează un singur întreg.
Gaz și aer
Să începem prin a ne uita la exemple simple compuși moleculari ca gazele. Cert este că aerul este cel mai ușor de schimbat. De exemplu, ai pulverizat parfum în cameră. Instantaneu sau după câteva secunde, aroma se simte deja. În acest caz, putem deja să răspundem la întrebarea ce este difuzia.
În fizică, toate substanțele sunt împărțite în trei stări principale:
- gazos;
- lichid;
- greu.
În consecință, starea gazoasă este capabilă de o reacție destul de rapidă.
Să dăm un alt exemplu: mirosul de vopsea care se răspândește în timpul pictării produselor. Gazele de eșapament ale vehiculelor sunt, de asemenea, difuzate în mediu inconjurator prin urmare, din păcate, ecologia are de suferit, aerul este poluat în orașele mari și mici.
Este demn de remarcat faptul că aerul este mobil, moleculele sale se mișcă în mod constant. Prin urmare, difuzarea cu orice străin substante gazoase se intampla tot timpul.
Apă
Și acum să luăm în considerare pe scurt ce este difuzia în fizică în relație. Să ne imaginăm un vas cu apă. Adăugăm puțin permanganat de potasiu sau un colorant. Procesul poate fi observat până când apa este complet colorată. Trebuie remarcat faptul că difuzia are loc mult mai rapid în apa fierbinte. Acest lucru poate fi demonstrat printr-o ceașcă obișnuită de ceai sau cafea. Dacă adăugați zahăr în apa fierbinte, acesta se va dizolva rapid. Când adăugați smântână la cafeaua fierbinte, există și o fuziune rapidă de cafea și apă, precum și smântână.
Când se gătesc supe, ciorbe și sosuri, se observă și difuzie. Trebuie remarcat faptul că tratamentul termic al alimentelor (și anume, gătitul) are loc cel mai adesea tocmai pentru că este necesară combinarea unei substanțe cu alta. Să presupunem că bulionul de pui nu funcționează apă rece, deoarece sucul de carne trebuie să interacționeze cu apa fierbinte.
Produse solide în industrie
Există o astfel de stare a materiei când este imposibil să se determine dacă este solidă sau lichidă. Nu înseamnă cel mai mult, ci totalitatea. De exemplu, aluat de clătite, argilă lichidă, uleiuri groase. Ce este difuzia în fizică în raport cu produse similare? Va rămâne și pătrunderea moleculelor. De exemplu, în fabricarea aliajelor, materialele plastice sunt utilizate în stare lichida diverse materiale care sunt dure în mod natural. Dar atunci când sunt încălzite, devin lichide, moleculele lor sunt capabile să pătrundă una în alta, adică va exista difuzie. Astfel, există multe oțel durabil, produse din plastic, materiale.
Difuzia în solide
Mai devreme am luat în considerare definiția a ceea ce este difuzia în fizică, acum știm. În mod logic, nu poate exista difuzie în solide. Parțial este. Dar există dovezi că, cu depozitarea constantă împreună a anumitor substanțe, acestea devin una.
De exemplu, dacă plumbul și aurul sunt așezate împreună într-o cutie, astfel încât să fie strâns presate unul împotriva celuilalt, atunci după aproximativ 5 ani vor fi conectate prin suprafețele lor. Prin urmare, răspunzând la întrebarea ce este difuzia în fizică, vom lua în considerare absolut toate substanțele, dar o singură stare.
Procese chimice
În concluzie, trebuie menționat că fenomenul de difuzie este studiat atât în chimie, cât și chiar în biologie. Prin urmare, acest termen poate fi întâlnit nu numai în fizică. Chimiștii din laboratoare efectuează în mod constant diverse experimente în care un astfel de proces este indispensabil. Dar subiectul principal este tratat în clasa a VII-a. Ce este difuzia în fizică și chimie? Acesta este un fenomen destul de comun în natură și în viața de zi cu zi, precum și în producerea a ceva.
prin difuzie numit procesul de transfer al materiei dintr-o parte a sistemului în alta ca rezultat al mișcării aleatorii a particulelor. Există următoarele tipuri de difuzie:
autodifuzie- difuzia particulelor unei substanțe, care se desfășoară în absența unui gradient de oricare forţe motrice;
difuzia concentratiei- miscarea unei substante sub influenta unui gradient de concentratie. Această difuzie este numită în jos deoarece substanța se deplasează din zonele în care concentrația sa este mai mare în zonele în care concentrația sa este mai mică;
difuzie termică- transferul de materie sub influența unui gradient de temperatură. Difuzia termică este cauzată de apariția unui gradient în potențialul chimic al unei substanțe care difuzează într-un câmp de temperatură. O substanță se deplasează din părți ale sistemului în care potențialul său chimic este mai mare,
în părţile în care potenţialul său chimic este mai mic. În acest caz, concentrația substanței se modifică în direcție inversă iar difuzia se numeste ascendenta;
difuzie reactiva- deplasarea unei substanțe către părți ale sistemului, unde se formează cu o altă componentă a soluției component chimic, adică substanța care difuzează este îndepărtată din faza inițială într-una separată (de exemplu, difuzia carbonului în zonele în care se formează carburi, difuzia elementelor de aliere în zonele în care se formează compuși intermetalici). Difuzia reactivă include și redistribuirea carbonului între sudura austenitică și metalul de bază feritic-perlitic: carbonul difuzează în austenită, în care solubilitatea sa este mai mare.
Difuzia concentrației este cea mai mare caz simpluși cel mai studiat.
Procesele de difuzie a concentrației sunt descrise prin ecuația legilor lui Fick:
unde este cantitatea de substanță difuză; dS - aria secțiunii transversale a fluxului de difuzie, dτ - timp - gradient de concentrație, negativ deoarece difuzia trece de la o concentrație mai mare la una mai mică; D este coeficientul de difuzie, .
Legea lui Fick este valabilă pentru concentrații scăzute ale unei substanțe care difuzează, departe de concentrația de saturație.
Procesul de difuzie este similar cu distribuția căldurii prin conducție de căldură. Cantitatea de substanță corespunde cantității de căldură, iar concentrația corespunde temperaturii. Prin urmare, a doua lege de difuzie poate fi derivată în mod similar cu ecuația căldurii:
Ecuația (12) exprimă a doua lege a lui Fick în cea mai mare măsură vedere generalaîn ipoteza că coeficientul de difuzie depinde de concentrația elementului și este diferit în direcții diferite. Dacă considerăm că coeficientul de difuzie este independent de concentrație și corpul este izotrop, i.e. crede asta 
, atunci expresia (12) se va simplifica:
(13)
, (14)
Unde 
.
În cel mai simplu caz de difuzie liniară de-a lungul axei x, când concentrația de-a lungul axelor y și z este constantă și . Pentru acest caz, obținem
. (15)
Integrarea ecuației (15) dă dependența concentrației substanței care difuzează de coordonatele x și timpul τ:
, (16)
Unde 
este funcția Krump a argumentului; poate fi găsit în tabel pentru valorile x date; D; τ.
Calculul dezvoltării proceselor de difuzie pe baza celei de-a doua legi a lui Fick este păstrat pentru mediile lichide și solide, dar coeficienții de difuzie vor fi mult mai mici decât pentru sistemele gazoase.
Pentru sistemele gazoase, coeficienții de difuzie sunt calculați pe baza teoriei cinetice a gazelor:
unde λ este calea liberă medie; - viteza medie mișcarea moleculelor de gaz.
Coeficienții de difuzie în lichide pot fi calculați folosind ecuația Stokes:
, (18)
unde k este constanta Boltzmann; T este temperatura; η este coeficientul de vâscozitate al mediului; r este raza particulei.
Coeficientul de difuzie în lichide este cu câteva ordine de mărime mai mic decât în gaze. Pentru greu corpuri cristaline coeficienții de difuzie sunt și mai mici.
Coeficientul de difuzie variază semnificativ în funcție de temperatura procesului, de concentrația substanței care difuzează, de proprietățile mediului și de prezența unui al treilea component în aliaj.
Difuzie
Un exemplu de difuzie este amestecarea gazelor (de exemplu, răspândirea mirosurilor) sau a lichidelor (dacă aruncați cerneală în apă, lichidul va deveni uniform colorat după un timp). Un alt exemplu este legat de un corp solid: atomii metalelor alăturate sunt amestecați la limita de contact. Rol important difuzia particulelor joacă un rol în fizica plasmei.
De obicei, difuzia este înțeleasă ca procese însoțite de transferul de materie, totuși, uneori, alte procese de transfer sunt numite și difuzie: conductivitate termică, frecare vâscoasă etc.
Rata de difuzie depinde de mulți factori. Deci, in cazul unei tije metalice, difuzia termica are loc foarte repede. Dacă tija este din material sintetic, difuzia termică are loc încet. Difuzia moleculelor în cazul general se desfășoară și mai lent. De exemplu, dacă o bucată de zahăr este coborâtă pe fundul unui pahar cu apă și apa nu este amestecată, va dura câteva săptămâni până când soluția devine omogenă. Și mai lentă este difuzarea unui solid în altul. De exemplu, dacă cuprul este acoperit cu aur, atunci va avea loc difuzia aurului în cupru, dar în condiții normale (temperatura camerei și presiunea atmosferică), stratul purtător de aur va atinge o grosime de câțiva microni abia după câteva mii de ani.
O descriere cantitativă a proceselor de difuzie a fost făcută de fiziologul german A. Fick ( Engleză) în 1855
descriere generala
Toate tipurile de difuzie se supun acelorași legi. Rata de difuzie este proporțională cu aria secțiunii transversale a probei, precum și cu diferența de concentrații, temperaturi sau încărcături (în cazul valorilor relativ mici ale acestor parametri). Astfel, căldura va călători de patru ori mai repede printr-o tijă de doi centimetri în diametru decât printr-o tijă de un centimetru în diametru. Această căldură se va răspândi mai repede dacă diferența de temperatură pe centimetru este de 10°C în loc de 5°C. Rata de difuzie este, de asemenea, proporțională cu parametrul care caracterizează un anumit material. În cazul difuziei termice, acest parametru se numește conductivitate termică, în cazul unui flux de sarcini electrice - conductivitate electrică. Cantitatea de substanță care difuzează într-un anumit timp și distanța parcursă de substanța care difuzează sunt proporționale rădăcină pătrată timpul de difuzie.
Difuzia este un proces la nivel molecular și este determinat de natura aleatorie a mișcării moleculelor individuale. Viteza de difuzie este deci proporțională cu viteza medie a moleculelor. În cazul gazelor, viteza medie a moleculelor mici este mai mare și anume este invers proporțională cu rădăcina pătrată a masei moleculei și crește odată cu creșterea temperaturii. Procesele de difuzie în solide la temperaturi mari des găsit uz practic. De exemplu, anumite tipuri de tuburi catodice (CRT) folosesc toriu metalic difuzat prin wolfram metalic la 2000°C.
Dacă într-un amestec de gaze masa unei molecule este de patru ori mai mare decât a celeilalte, atunci o astfel de moleculă se mișcă de două ori mai încet în comparație cu mișcarea sa într-un gaz pur. În consecință, rata sa de difuzie este, de asemenea, mai mică. Această diferență în ratele de difuzie între moleculele ușoare și cele grele este utilizată pentru a separa substanțe cu greutăți moleculare diferite. Un exemplu este separarea izotopilor. Dacă un gaz care conține doi izotopi este trecut printr-o membrană poroasă, izotopii mai ușori pătrund în membrană mai repede decât cei mai grei. Pentru o mai bună separare, procesul se desfășoară în mai multe etape. Acest proces a fost utilizat pe scară largă pentru separarea izotopilor de uraniu (separarea a 235 U de cea mai mare parte a 238 U). Deoarece această metodă de separare este consumatoare de energie, au fost dezvoltate alte metode de separare mai economice. De exemplu, utilizarea difuziei termice într-un mediu gazos este larg dezvoltată. Un gaz care conține un amestec de izotopi este plasat într-o cameră în care se menține o diferență de temperatură spațială (gradient). În acest caz, izotopii grei sunt concentrați în timp în regiunea rece.
Ecuațiile lui Fick
Din punctul de vedere al termodinamicii, potențialul motor al oricărui proces de nivelare este creșterea entropiei. La presiune și temperatură constante, rolul unui astfel de potențial este jucat de potențialul chimic µ , determinând menținerea curgerii materiei. Fluxul particulelor de substanță este proporțional cu gradientul de potențial
~În majoritatea cazurilor practice, concentrația este utilizată în locul potențialului chimic C. Înlocuire directă µ pe C devine incorectă în cazul concentrațiilor mari, deoarece potențialul chimic încetează să mai fie legat de concentrație conform legii logaritmice. Dacă nu luăm în considerare astfel de cazuri, atunci formula de mai sus poate fi înlocuită cu următoarea:
ceea ce arată că densitatea fluxului materiei J proporțional cu coeficientul de difuzie D[()] și gradientul de concentrație. Această ecuație exprimă prima lege a lui Fick. A doua lege a lui Fick se referă la schimbările spațiale și temporale ale concentrației (ecuația de difuzie):
Coeficientul de difuzie D dependent de temperatură. Într-un număr de cazuri, într-un interval larg de temperatură, această dependență este ecuația Arrhenius.
Un câmp suplimentar aplicat paralel cu gradientul de potențial chimic rupe starea de echilibru. În acest caz, procesele de difuzie sunt descrise de ecuația neliniară Fokker-Planck. Procesele de difuzie sunt de mare importanță în natură:
- Nutriția, respirația animalelor și plantelor;
- Pătrunderea oxigenului din sânge în țesuturile umane.
Descrierea geometrică a ecuației Fick
În a doua ecuație Fick, în partea stângă este rata de modificare a concentrației în timp, iar în partea dreaptă a ecuației este derivata a doua parțială, care exprimă distribuția spațială a concentrației, în special, convexitatea temperaturii. funcția de distribuție proiectată pe axa x.
Vezi si
- Difuzia de suprafață este un proces asociat cu mișcarea particulelor care apar pe suprafața unui corp condensat în primul strat de suprafață de atomi (molecule) sau peste acest strat.
Note
Literatură
- Bokshtein B.S. Atomii rătăcesc prin cristal. - M .: Nauka, 1984. - 208 p. - (Biblioteca „Quantum”, Numărul 28). - 150.000 de exemplare.
Legături
- Difuzie (lectie video, program de clasa a VII-a)
- Difuzia atomilor de impurități pe suprafața unui singur cristal
Fundația Wikimedia. 2010 .
Sinonime:Vedeți ce este „Difuziunea” în alte dicționare:
- [lat. difuzie distribuţie, răspândire] fizică, chimică. pătrunderea moleculelor unei substanțe (gaz, lichid, corp solid) într-un altul când sunt în contact direct sau printr-un despărțitor poros. Dicționar de cuvinte străine. Komlev N.G.,… … Dicționar de cuvinte străine ale limbii ruse
Difuzie- este pătrunderea în mediu a particulelor unei substanțe a particulelor unei alte substanțe, care are loc ca urmare a mișcării termice în direcția scăderii concentrației unei alte substanțe. [Blum E.E. Dicţionar de termeni metalurgici de bază. Ekaterinburg… Enciclopedie de termeni, definiții și explicații ale materialelor de construcție
Enciclopedia modernă
- (din latinescul diffusio spreading spreading, dispersion), mișcarea particulelor de mediu, care duce la transferul de materie și alinierea concentrațiilor sau la stabilirea unei distribuții de echilibru a concentrațiilor de particule de un anumit tip în mediu. În lipsa… … Dicţionar enciclopedic mare
DIFUZIA, mișcarea unei substanțe într-un amestec dintr-o zonă de concentrație mare într-o zonă de concentrație scăzută, cauzată de mișcarea aleatorie a atomilor sau moleculelor individuale. Difuzia se oprește când gradientul de concentrație dispare. Viteza…… Științific și tehnic Dicţionar enciclopedic
difuziune- si bine. difuzie f. germană. Difuzie lat. difuzio răspândire, răspândire. Pătrunderea reciprocă a substanțelor adiacente unele în altele datorită mișcării termice a moleculelor și atomilor. Difuzia de gaze, lichide. BAS 2. || trans. Sunt… … Dicționar istoric galicisme ale limbii ruse
Difuzie- (din latinescul diffusio distribuție, răspândire, dispersie), mișcarea particulelor mediului, ducând la transferul de materie și alinierea concentrațiilor sau stabilirea distribuției lor de echilibru. Difuzia este de obicei determinată de mișcarea termică ...... Dicţionar Enciclopedic Ilustrat
Mișcarea particulelor în direcția scăderii concentrației lor, datorită mișcării termice. D. duce la alinierea concentrațiilor substanței care difuzează și la umplerea uniformă a volumului cu particule. ... ... Enciclopedia Geologică
- (din lat. diffusio răspândire, răspândire), pătrundere reciprocă a celor în contact între ele datorită mișcării termice h c in va. D. are loc în direcția scăderii concentrației în va și duce la distribuția sa uniformă pe ... ... Enciclopedia fizică
Spreading, penetration, dispersion, distribution Dicționar de sinonime rusești. difuzie n., număr de sinonime: 9 barodifuziune (1) ... Dicţionar de sinonime
DIFUZIE, și, soții. (specialist.). Pătrunderea reciprocă a particulelor unei substanțe în alta atunci când intră în contact. D. gaze. | adj. difuzie, o, o. Dicţionar Ozhegov. SI. Ozhegov, N.Yu. Şvedova. 1949 1992... Dicționar explicativ al lui Ozhegov
DIFUZIA -si; și. [din lat. difuzio - distribuţie, răspândire] 1. Fizic. Pătrunderea reciprocă a substanțelor adiacente unele în altele datorită mișcării termice a particulelor substanței. D. gaze. D. fluide. 2. Întrepătrundere, schimb de ceva. Dicționar explicativ al lui Kuznetsov
Trebuie să definim ce se înțelege în fizică prin conceptul de difuzie.
Difuzie
Acest concept ne-a venit din latin iar în traducere cuvântul „diffusio” înseamnă răspândire, răspândire. După cum se poate înțelege din traducere, termenul difuzie înseamnă pătrunderea reciprocă a particulelor unei substanțe într-o altă substanță sub influența diferiților factori.
Acest proces se datorează mișcării moleculelor substanțelor luate în considerare. Iar cel mai frapant exemplu de difuzie este amestecarea diferitelor gaze.
Viteza acestor procese poate depinde, în primul rând, de un astfel de factor precum starea de agregare a substanțelor în cauză. Adică, după cum putem înțelege, în cazurile cu lichide și gaze, acest proces va dura mult mai puțin decât, de exemplu, cu solide.
Viteza acestei reacții depinde și de temperatura substanțelor. Știm că odată cu creșterea temperaturii, viteza de mișcare a moleculelor crește și, prin urmare, viteza de amestecare, pătrunderea moleculelor unui corp în altul va fi mai mare.
Un alt factor care afectează viteza de difuzie este presiunea. Acest fenomen are cel mai complex efect asupra substanțelor. Adică, acest mecanism reduce volumul de substanțe, numărul de locuri libere libere pentru atomi și crește conținutul de atomi interstițiali.
Tipuri de difuzie
Difuzia este împărțită în mai multe tipuri în funcție de state agregate substanțe considerate:
- difuzia gazelor;
- difuzia lichidelor;
- difuzie plasmatică;
- difuzia cristalelor;
- difuzia solidelor.