Диффузии веществ

Диффузии веществ

Диффузии веществ

Виды диффузий веществ

Влияние природы взаимодействующих при диффузии веществ

Пример диффузии веществ

Определение

Под термином «диффузия веществ» понимается процесс, при котором два или больше веществ самопроизвольно перемешиваются и, таким образом, взаимодействуют между собой. Если иначе, то диффузия – это следствие хаотичного движения молекул.

Огромное значение подобное явление имеет в окружающем мире в частности в технике и в быту. Отмечается как положительное, так и отрицательное влияние процессов диффузии на жизнедеятельность человека.

Как пример положительного воздействия можно назвать поддержание воздуха атмосферы непосредственно над земной поверхностью в однородном состоянии. Неоценима роль диффузии в сфере науки и техники. Без нее не обойтись при осуществлении химических реакций.

Виды диффузий веществ

В результате беспорядочно перемещающихся частиц происходит перенос вещества между различными частями системы. Подобный процесс выступает в качестве основной характеристики диффузии.

В природе существует несколько разновидностей этого явления:

  • Самодиффузия – смешение частиц одного вещества, протекающее без привлечения какого-либо воздействия со стороны.
  • Концентрационная диффузия являет собой перемещение веществ под некоторым воздействием градиента концентрации. Подобный вид диффузии еще называют нисходящей. Причиной тому является перемещение вещества из одной части системы, характеризующейся большей концентрацией, к участкам с меньшим ее содержанием.
  • Термодиффузией характеризуется перенос вещества при воздействии на него определенных температур. Этот процесс образуется за счет того что в температурном поле появляется градиент химического потенциала перемещающегося из частей системы вещества с присущим для него высоким химическим потенциалом туда, где имеются участки с низким потенциалом. Вследствие этого происходит изменение концентрации вещества в обратном направлении, что определяет название подобной диффузии – восходящая.
  • Под реактивной диффузией понимается перемещение вещества в те участки системы, где оно сможет образовать с другим компонентом химический раствор.
  • В физике наиболее изученным и самым простым явлением считается концентрационная диффузия.

Уравнением законов Фика можно отследить процессы этой разновидности:

dm=−DdSdxdc/dx, при этом:

dm — количество участвующего в диффузии вещества;

D – коэффициент диффузии;

dS – величина сечение диффузионного потока,

dc/dx – определение градиента концентрации с отрицательным значением из-за направленности диффузии от большей к меньшей концентрации.

Влияние природы взаимодействующих при диффузии веществ

В целом, значение коэффициента диффузии, обозначаемого буквой D, зависит от отличий между свойствами природ диффундирующего элемента и растворителя

Выразить зависимость коэффициента диффузии от величины концентрации диффундирующего элемента можно в следующей формуле:

D= , при этом:

Ct – концентрация, соответствующая пределу насыщения твердого раствора;

Cx– концентрация участвующего в диффузии элемента;

Do – предельная величина коэффициента диффузии при снижении концентрации растворенного элемента до нуля.

Замечание

В зависимости от того, к какому типу будет относиться образуемый элементами раствор – внедрению или замещению, определяется степень активности диффузии.

Если атомы диффундирующего вещества расположатся промежду узлов основной решетки, значительно меньшими будут энергетические затраты. Подобное явление обусловлено тем, что при прохождении процесса атомы из узлов не изымаются. В таких условиях диффузия протекает намного быстрее.

Скорость диффузии также будет существенно зависеть от присутствия в твердом растворе, в котором уже есть как диффундирующее так и основное вещество, еще и третьего компонента. На воздействие подобного рода будет влиять ряд важных факторов.

Затруднение процесса может возникнуть в результате растворения твердого компонента, который занимает свободные места.

Легкое протекание процесса возможно при искажении структуры кристаллической решетки за счет присутствия в ней атомов.

Существенное ускорение диффузии наблюдается по границам зерен металла с сильным искажением структуры. Атомные слои, располагающиеся вблизи поверхности металла, также характеризуются искаженной кристаллической решеткой и, как результат, повышенным запасом энергии. Это явление объясняет более быстрое растворение веществ у поверхности, чем на уровне внутренних объемов.

При сравнении крупных и мелких кристаллов последние характеризуются большей величиной поверхностной энергии рассчитанной на единицу массы металла. Такое отличие вызвано тем, что, как свидетельствуют законы термодинамики, кристаллы имеют свойство расти всегда, ведь это хорошо видно по уменьшению свободной энергии в пределах системы.

Тем не менее, в условиях пониженных температур эта тенденция не так заметна ввиду того, что количество блуждающих атомов не будет так сильно увеличиваться. И наоборот, повышение температуры будет влиять на рост числа подобных атомов.

Вместе с тем в более мелких кристаллах их будет значительно больше, чем в крупных, так как в мелких зернах содержится больший запас энергии.

При этом наблюдается формирование диффузионных потоков атомов по направлению от меньших по размеру кристаллов к более крупным. Разрыв между размерами увеличивается, что способствует ускорению процесса и максимальному поглощению крупными кристаллами более мелких элементов.

Пример диффузии веществ

С помощью последующей формулы можно рассмотреть пример диффузии вещества из внутреннего объема к поверхностному слою катализатора или реагирующих веществ. Таким образом, превращение вещества будет иметь вид реакции первого порядка, если скорость равняется

Wхим=ksCп, при этом:

Wхим – количество вещества, взятого для реакции у поверхности S в единицу времени;

Сп – показатель концентрации реагента у поверхности.

Вследствие превращения показатель Сп в объеме раствора Соб становится значительно меньше в сравнении с концентрацией вещества.

Всю реагирующую смесь можно разделить на две области:

  • с постоянной концентрацией ниже поверхности реакции;
  • со скоро меняющейся концентрацией непосредственно вблизи этой поверхности.

С помощью экспериментов было определено нулевое значение скорости, с которой движется жидкость на всех твердых граничащих с ней поверхностях. Вещество перемещается сквозь прилегающий к грани твердого тела недвижный слой жидкости, чему как раз и способствует диффузия реагирующих компонентов.

Замечание

Недвижимый слой имеет специально данное ему название – слой Нернста Его толщина будет зависеть от таких факторов как свойства растворителя и растворенного в нем вещества, а также скорости перемещения и прочих.

Например, для жидкости приемлемая толщина данного слоя δ находится в диапазоне примерно от 0.02 мм до 0.05 мм а то и меньше. Вне этих пределов движение жидкости может спровоцировать выравнивание концентраций в объеме раствора. При помощи уравнения Фика определяется перенос массы вследствие диффузии

dn/dt=−SDdC/dx, при этом:

dn/dt – количество диффундирующего за единицу времени вещества через фиксированную поверхность S в направлении к возрастающим значениям x$, где;

x – направление процесса перемещения;

D – коэффициент диффузии.

Источник: https://sciterm.ru/spravochnik/diffuzii-veshestv/

Диффузия — Большая советская энциклопедия

Диффузии веществ

I

Диффу́зия (от лат. diffusio — распространение, растекание)

взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества. Д. происходит в направлении падения концентрации вещества и ведёт к равномерному распределению вещества по всему занимаемому им объёму (к выравниванию химического потенциала (См. Химический потенциал) вещества).

Д. имеет место в газах, жидкостях и твёрдых телах, причём диффундировать могут как находящиеся в них частицы посторонних веществ, так и собственные частицы (Самодиффузия).

Д. крупных частиц, взвешенных в газе или жидкости (например, частиц Дыма или Суспензии), осуществляется благодаря их броуновскому движению (См. Броуновское движение). В дальнейшем, если специально не оговорено, имеется в виду молекулярная Д.

Наиболее быстро Д. происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения.

Неупорядоченность движения приводит к тому, что каждая частица постепенно удаляется от места, где она находилась, причём её смещение по прямой гораздо меньше пути, пройденного по ломаной линии. Поэтому диффузионное проникновение значительно медленнее свободного движения (скорость диффузионного распространения запахов, например, много меньше скорости молекул).

Смещение частицы меняется со временем случайным образом, но средний квадрат его `L2 за большое число столкновений растёт пропорционально времени t. Коэффициент пропорциональности D в соотношении: `L2 ~ Dt называется коэффициентом Д. Это соотношение, полученное А. Эйнштейном, справедливо для любых процессов Д. Для простейшего случая самодиффузии в газе коэффициент Д.

может быть определён из соотношения D ~`L2/t, применённого к средней длине свободного пробега (См. Длина свободного пробега) молекулы `l. Для газа `l =`сτ, где `с — средняя скорость движения частиц, τ — среднее время между столкновениями. Т. о., D ~ `l2/τ ~ `l`c (более точно D = 1/3 `l`c). Коэффициент Д. обратно пропорционален давлению p газа (т.к.

`l ~ 1/p); с ростом температуры Т (при постоянном объёме) Д. увеличивается пропорционально Т1/2 (т.к. `с ~ √Т). С увеличением молекулярной массы коэффициент Д. уменьшается.

В жидкостях, в соответствии с характером теплового движения молекул, Д. осуществляется перескоками молекул из одного временного положения равновесия в другое.

Каждый скачок происходит при сообщении молекуле энергии, достаточной для разрыва её связей с соседними молекулами и перехода в окружение др. молекул (в новое энергетически выгодное положение). В среднем скачок не превышает межмолекулярного расстояния.

Диффузионное движение частиц в жидкости можно рассматривать как движение с трением, к нему применимо второе соотношение Эйнштейна: D ~ ukT. Здесь k — Больцмана постоянная, u — подвижность диффундирующих частиц, т. е.

коэффициент пропорциональности между скоростью частицы с и движущей силой F при стационарном движении с трением (с = uF). Если частицы сферически симметричны, то u = 1/6πηr, где η — коэффициент вязкости жидкости, r — радиус частицы (см. Стокса закон).

Коэффициент Д. в жидкости увеличивается с температурой, что обусловлено «разрыхлением» структуры жидкости при нагреве и соответствующим увеличением числа перескоков в единицу времени.

В твёрдом теле могут действовать несколько механизмов Д.

: обмен местами атомов с Вакансиями (незанятыми узлами кристаллической решётки), перемещение атомов по междоузлиям, одновременное циклическое перемещение нескольких атомов, прямой обмен местами двух соседних атомов и т.д. Первый механизм преобладает, например, при образовании твёрдых растворов (См. Твёрдые растворы) замещения, второй — твёрдых растворов внедрения.

Коэффициент Д. в твёрдых телах крайне чувствителен к дефектам кристаллической решётки, возникшим при нагреве, напряжениях, деформациях и др. воздействиях.

Увеличение числа дефектов (главном образом вакансий) облегчает перемещение атомов в твёрдом теле и приводит к росту коэффициента Д. Для коэффициента Д. в твёрдых телах характерна резкая (экспоненциальная) зависимость от температуры.

Так, коэффициент Д. цинка в медь при повышении температуры от 20 до 300°С возрастает в 1014 раз.

Значение коэффициента диффузии (при атмосферном давлении)

Диффундирующее веществоОсновной компонентТемпература, °СКоэффициент диффузии, м2/сек
Водород (газ)Кислород (газ)00,70·10-4
Пары водыВоздух00,23·10-4
Пары этилового спиртаВоздух00,10·10-4
Соль (NaCI)Вода201,1·10-9
СахарВода200,3·10-9
Золото (тв.)Свинец (тв.)204·10-14
СамодиффузияСвинец2857·10-15

Для большинства научных и практических задач существенно не диффузионное движение отдельных частиц, а происходящее от него выравнивание концентрации вещества в первоначально неоднородной среде. Из мест с высокой концентрацией уходит больше частиц, чем из мест с низкой концентрацией.

Через единичную площадку в неоднородной среде проходит за единицу времени безвозвратный поток вещества в сторону меньшей концентрации — диффузионный поток j. Он равен разности между числами частиц, пересекающих площадку в том и др.

направлениях, и потому пропорционален градиенту концентрации ∇С (уменьшению концентрации С на единицу длины). Эта зависимость выражается законом Фика (1855):

j = -D∇C.

Единицами потока j в Международной системе единиц (См. Международная система единиц) являются 1/м2·сек или кг/м2·сек, градиента концентрации — 1/м4 или кг/м4, откуда единицей коэффициента Д. является м2/сек.

Математически закон Фика аналогичен уравнению теплопроводности (См. Теплопроводность) Фурье. В основе этих явлений лежит единый механизм молекулярного переноса: в 1-м случае переноса массы, во 2-м — энергии (см.

Переноса явления).

Д. возникает не только при наличии в среде градиента концентрации (или химического потенциала). Под действием внешнего электрического поля происходит Д. заряженных частиц (электродиффузия), действие поля тяжести или давления вызывает бародиффузию, в неравномерно нагретой среде возникает Термодиффузия.

Все экспериментальные методы определения коэффициента Д. содержат два основных момента: приведение в контакт диффундирующих веществ и анализ состава веществ, изменённого Д. Состав (концентрацию продиффундировавшего вещества) определяют химически, оптически (по изменению показателя преломления или поглощения света), масс-спектроскопически, методом меченых атомов (См. Меченые атомы) и др.

Д. играет важную роль в химической кинетике и технологии. При протекании химической реакции на поверхности катализатора или одного из реагирующих веществ (например, горении угля) Д. может определять скорость подвода др. реагирующих веществ и отвода продуктов реакции, т. е. являться определяющим (лимитирующим) процессом.

Для испарения (См. Испарение) и конденсации (См. Конденсация), растворения кристаллов и кристаллизации (См. Кристаллизация) определяющей оказывается обычно Д. Процесс Д.

газов через пористые перегородки или в струю пара используется для изотопов разделения (См. Изотопов разделение). Д. лежит в основе многочисленных технологических процессов — адсорбции (См. Адсорбция), цементации (См. Цементация) и др. (см.

Диффузионные процессы); широко применяются Диффузионная сварка, Диффузионная металлизация.

В жидких растворах Д. молекул растворителя через полупроницаемые перегородки (мембраны) приводит к возникновению осмотического давления (см. Осмос), что используется в физико-химическом методе разделения веществ — Диализе.

Д. А. Франк-Каменецкий.

Д. в биологических системах. Д. играет важную роль в процессах жизнедеятельности клеток и тканей животных и растений (например, Д. кислорода из лёгких в кровь и из крови в ткани, всасывание продуктов пищеварения из кишечника, поглощение элементов минерального питания клетками корневых волосков, Д.

ионов при генерировании биоэлектрических импульсов нервными и мышечными клетками). Различная скорость Д. ионов через клеточные мембраны — один из физических факторов, влияющих на избирательное накопление элементов в клетках организма.

Проникновение растворённого вещества в клетку может быть выражено законом Фика, в котором значение коэффициента Д. заменено коэффициентом проницаемости мембраны, а градиент концентрации — разностью концентраций вещества по обе стороны мембраны. Диффузионное проникновение в клетку газов и воды (см.

Осмос) также описывается законом Фика; при этом значения разности концентраций заменяются значениями разности давлений газов и осмотических давлений внутри и вне клетки.

Различают простую Д. — свободное перемещение молекул и ионов в направлении градиента их химического (электрохимического) потенциала (так могут перемещаться лишь вещества с малыми размерами молекул, например вода, метиловый спирт); ограниченную Д., когда мембрана клетки заряжена и ограничивает Д.

заряженных частиц даже малого размера (например, слабое проникновение в клетку анионов); облегчённую Д. — перенос молекул и ионов, самостоятельно не проникающих или очень слабо проникающих через мембрану, др. молекулами («переносчиками»); так, по-видимому, проникают в клетку сахара́ и аминокислоты.

Через мембрану, вероятно, могут диффундировать и переносчик, и комплекс переносчика с веществом. Перенос вещества, определяемый градиентом концентрации переносчика, называется обменной Д.; такая Д. отчётливо проявляется в экспериментах с изотопными индикаторами.

Различную концентрацию веществ в клетке и окружающей её среде нельзя объяснить только Д. их через мембраны за счёт имеющихся электрохимических и осмотических градиентов.

На распределение ионов влияют также процессы, которые могут вызывать перераспределение веществ против их электрохимического градиента с затратой энергии, — так называемый Активный транспорт ионов.

Л. Н. Воробьёв, И. А. Воробьёва.

Лит.: Френкель Я. И., Собр. избр. трудов, т. 3 — Кинетическая теория жидкостей, М. — Л., 1959; Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., М., 1961; Шьюмон П., Диффузия в твердых телах, пер. с англ.

, М., 1966; Франк-Каменецкий Д. А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике, 2 изд., М., 1967; Булл Г., Физическая биохимия, пер. с англ., М., 1949; Руководство по цитологии, т. 1, М. — Л., 1965; Ходоров Б. И., Проблема возбудимости, Л., 1969.

II

Диффу́зия

нейтронов, распространение нейтронов в веществе, сопровождающееся многократным изменением направления и скорости движения в результате их столкновений с атомными ядрами. Д. нейтронов аналогична Д. в газах и подчиняется тем же закономерностям (см. Диффузия). Быстрые нейтроны, т. е.

нейтроны с энергией, во много раз большей, чем средняя энергия теплового движения частиц среды, при Д. отдают энергию среде и замедляются. В слабо поглощающих средах нейтроны приходят в тепловое равновесие со средой (тепловые нейтроны).

В неограниченной среде тепловой нейтрон диффундирует до тех пор, пока не поглотится одним из атомных ядер. Д.

тепловых нейтронов характеризуется коэффициентом диффузии D и средним квадратом расстояния от точки образования теплового нейтрона до точки его поглощения, равным L2T = 6Dt, где t — среднее время жизни теплового нейтрона в среде.

Для характеристики Д. быстрых нейтронов употребляют средний квадрат расстояния L2Б между точкой образования быстрого нейтрона (в ядерной реакции, например реакции деления) и точкой его замедления до тепловой энергии. В табл. приведены для некоторых сред значения L2T для тепловых нейтронов и L2Б для нейтронов, испускаемых при делении урана.

Значения L2T и L2Б для некоторых веществ

ВеществоL2T, см2L2Б, см2
 Вода Н2О ………   44                   186                        15                                
 Тяжёлая вода       1,5·105           750                        390                             
 D20 ………….        2600             516                        56                                
 Берилий Be ……  20000               1880                     150                             
 Графит С ………  

При Д. в ограниченной среде нейтрон с большой вероятностью вылетает за её пределы, если полуразмер (радиус) системы мал по сравнению с величиной

напротив, нейтрон с большой вероятностью поглотится в среде, если её радиус велик по сравнению с этой величиной.

Д. нейтронов играет существенную роль в работе ядерных реакторов (См. Ядерный реактор). В связи с этим разработка ядерных реакторов сопровождалась интенсивным развитием теории Д. нейтронов и методов её экспериментального изучения.

Лит.: Бекурц К., Виртц К., Нейтронная физика, пер. с англ., М., 1968.

Источник: Большая советская энциклопедия на Gufo.me

Источник: https://gufo.me/dict/bse/%D0%94%D0%B8%D1%84%D1%84%D1%83%D0%B7%D0%B8%D1%8F

Что такое диффузия и её причины, где она протекает быстрее всего, примеры из окружающего мира

Диффузии веществ

О таком понятии, как диффузия, слышали абсолютно все люди. Это было одной из тем на уроках физики в 7 классе. Несмотря на то что это явление окружает нас абсолютно везде, мало кто знает о нём. Что же оно всё-таки означает? В чём заключается его физический смысл, и как можно облегчить жизнь с её помощью? Сегодня мы с вами об этом и поговорим.

  • Диффузия в физике: определение
  • Причины возникновения
  • Диффузия в газах
  • Как протекает диффузия в жидкостях
  • Диффузия в твёрдых телах: примеры
  • Примеры диффузии в окружающем мире

Диффузия в физике: определение

Это — процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Говоря простым языком, этот процесс можно назвать смешиванием. Во время этого смешивания происходит взаимное проникновение молекул вещества друг между другом. Например, при приготовлении кофе молекулы растворимого кофе проникают в молекулы воды и наоборот.

Скорость этого физического процесса зависит от следующих факторов:

  1. Температура.
  2. Агрегатное состояние вещества.
  3. Внешнее воздействие.

: МПА в атмосферы, как правильно перевести давление?

Чем выше температура вещества, тем быстрее движутся молекулы. Следовательно, процесс смешивания происходит быстрее при высоких температурах.

Агрегатное состояние вещества — важнейший фактор. В каждом агрегатном состоянии молекулы движутся с определённой скоростью.

Диффузия может протекать в следующих агрегатных состояниях:

  1. Газ.
  2. Жидкость.
  3. Твёрдое тело.

Скорее всего, у читателя сейчас возникнут следующие вопросы:

  1. Каковы причины возникновения диффузии?
  2. Где она протекает быстрее?
  3. Как она применяется в реальной жизни?

Ответы на них можно узнать ниже.

: энтропия — это что такое, где применяется термин?

Причины возникновения

Абсолютно у всего в этом мире есть своя причина. И диффузия не является исключением. Физики прекрасно понимают причины её возникновения. А как донести их до обычного человека?

Наверняка каждый слышал о том, что молекулы находятся в постоянном движении. Причём это движение является беспорядочным и хаотичным, а его скорость очень большая. Благодаря этому движению и постоянному столкновению молекул происходит их взаимное проникновение.

Есть ли какие-то доказательства этого движения? Конечно! Вспомните, как быстро вы начинали чувствовать запах духов или дезодоранта? А запах еды, которую готовит ваша мама на кухне? Вспомните, как быстро готовится чай или кофе. Всего этого не могло быть, если бы не движение молекул. Делаем вывод — основная причина диффузии заключается в постоянном движении молекул.

Теперь остаётся только один вопрос — чем же обусловлено это движение? Оно обусловлено стремлением к равновесию. То есть, в веществе есть области с высокой и низкой концентрацией этих частиц.

И благодаря этому стремлению они постоянно движутся из области с высокой концентрацией в низкоконцентрированную.

Они постоянно сталкиваются друг с другом, и происходит взаимное проникновение.

Интересно знать: Система отсчета это что такое, определение и виды.

Диффузия в газах

Процесс смешивания частиц в газах самый быстрый. Он может происходить как между однородными газами, так и между газами с разной концентрацией.

Яркие примеры из жизни:

  1. Вы чувствуете запах освежителя воздуха благодаря диффузии.
  2. Вы чувствуете запах приготовленной пищи. Заметьте, его вы начинаете чувствовать сразу, а запах освежителя через несколько секунд. Это объясняется тем, что при высокой температуре скорость движения молекул больше.
  3. Слезы, возникающие у вас при нарезании лука. Молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха, и ваши глаза на это реагируют.

Как протекает диффузия в жидкостях

Диффузия в жидкостях протекает медленнее. Она может длиться от нескольких минут до нескольких часов.

Самый яркие примеры из жизни:

  1. Приготовление чая или кофе.
  2. Смешивание воды и марганцовки.
  3. Приготовление раствора соли или соды.

В этих случаях диффузия протекает очень быстро (до 10 минут). Однако если к процессу будет приложено внешнее воздействие, например, размешивание этих растворов ложкой, то процесс пойдёт гораздо быстрее и займёт не более одной минуты.

Диффузия при смешивании более густых жидкостей будет происходить гораздо дольше. Например, смешивание двух жидких металлов может занимать несколько часов. Конечно, можно сделать это за несколько минут, но в таком случае получится некачественный сплав.

Например, диффузия при смешивании майонеза и сметаны будет протекать очень долго. Однако, если прибегнуть к помощи внешнего воздействия, то этот процесс и минуты не займёт.

Диффузия в твёрдых телах: примеры

В твёрдых телах взаимное проникновение частиц протекает очень медленно. Этот процесс может занять несколько лет. Его длительность зависит от состава вещества и структуры его кристаллической решётки.

Опыты, доказывающие, что диффузия в твёрдых телах существует.

  1. Слипание двух пластин разных металлов. Если держать эти две пластины плотно друг к другу и под прессом, в течение пяти лети между ними будет слой, имеющий ширину 1 миллиметр. В этом небольшом слое будут находиться молекулы обоих металлов. Эти две пластины будут слиты воедино.
  2. На тонкий свинцовый цилиндр наносится очень тонкий слой золота. После чего эта конструкция помещается в печь на 10 дней. Температура воздуха в печи — 200 градусов Цельсия. После того как этот цилиндр разрезали на тонкие диски, было очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.

Примеры диффузии в окружающем мире

Как вы уже поняли, чем тверже среда, тем меньше скорость смешивания молекул. Теперь давайте поговорим о том, где в реальной жизни можно получить практическую пользу от этого физического явления.

Процесс диффузии происходит в нашей жизни постоянно. Даже когда мы лежим на кровати, очень тонкий слой нашей кожи остаётся на поверхности простыни. А также в неё впитывается пот. Именно из-за этого постель становится грязной, и её необходимо менять.

Так, проявление этого процесса в быту может быть следующим:

  1. При намазывании масла на хлеб оно в него впитывается.
  2. При засолке огурцов соль сначала диффундирует с водой, после чего солёная вода начинает диффундировать с огурцами. В результате чего мы получаем вкуснейшую закуску. Банки необходимо закатывать. Это нужно для того, чтобы вода не испарялась. А точнее, молекулы воды не должны диффундировать с молекулами воздуха.
  3. При мытье посуды молекулы воды и чистящего средства проникают в молекулы оставшихся кусочков еды. Это помогает им отлипать от тарелки, и сделать её более чистой.

Проявление диффузии в природе:

  1. Процесс оплодотворения происходит именно благодаря этому физическому явлению. Молекулы яйцеклетки и сперматозоида диффундируют, после чего появляется зародыш.
  2. Удобрение почв. Благодаря использованию определённых химических средств или компоста почва становится более плодородной. Почему так происходит? Суть в том, что молекулы удобрения диффундируют с молекулами почвы. После чего процесс диффузии происходит между молекулами почвы и корня растения. Благодаря этому сезон будет более урожайным.
  3. Смешивание производственных отходов с воздухом сильно загрязняет его. Из-за этого в радиусе километра воздух становится очень грязным. Его молекулы диффундируют с молекулами чистого воздуха из соседних районов. Именно так ухудшается экологическая обстановка в городе.

Проявление этого процесса в промышленности:

  1. Силицирование — процесс диффузионного насыщения кремнием. Он проводится в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой детали имеет не очень высокую твёрдость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серной кислотах.
  2. Диффузия в металлах при изготовлении сплавов играет большую роль. Для получения качественного сплава необходимо производить сплавы при высоких температурах и с внешним воздействием. Это значительно ускорит процесс диффузии.

Эти процессы происходят в различных областях промышленности:

  1. Электронная.
  2. Полупроводниковая.
  3. Машиностроение.

Как вы поняли, процесс диффузии может оказывать на нашу жизнь как положительный, так и отрицательный эффект. Нужно уметь управлять своей жизнью и максимально использовать пользу от этого физического явления, а также минимизировать вред.

Теперь вы знаете, в чём сущность такого физического явления, как диффузия. Она заключается во взаимном проникновении частиц благодаря их движению. А в жизни движется абсолютно все. Если вы школьник, то после прочтения нашей статьи вы точно получите оценку 5. Успехов вам!

Источник: https://obrazovanie.guru/nauka/fizika/diffuziya-opredelenie-i-primery-v-okruzhayushhem-mire.html

Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе

Диффузии веществ

  • Что такое диффузия?
  • Причины диффузии
  • Формула диффузии
  • Диффузия в твердых телах
  • Диффузия в жидкостях
  • Диффузия в газах
  • Примеры диффузии в окружающем мире
  • Диффузия, видео
  • Что такое диффузия?

    Само слово «диффузия» латинского происхождения – «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, рассеивание». В физике под диффузией подразумевается процесс взаимопроникновения микрочастиц при соприкосновении разных материалов.

    Академическое определение того, что такое диффузия, звучит следующим образом: «Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества вследствие их хаотичного движения и столкновения друг с другом».

    Какие свойства диффузии, причины ее возникновения, как проявляется этот процесс в разных веществах, об этом читайте далее.

    Причины диффузии

    Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).

    Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO4) и растворить в воде (H2O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO4-. Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ – OH-.

    Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.

    Вот так этот процесс выглядит схематически.

    Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.

    Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.

    Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества.

    Формула диффузии

    Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения:

    В этом уравнении J – плотность материала, D – коэффициент диффузии, а ac/dx – градиент концентрации двух веществ.

    Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.

    Диффузия в твердых телах

    В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.

    Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.

    Диффузия в жидкостях

    Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.

    Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера выше) осуществляется за минуту.

    Диффузия, видео

    И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

    При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

    Эта статья доступна на английском языке – Diffusion.

    Источник: https://www.poznavayka.org/fizika/diffuziya/

    Разновидности диффузии веществ

    Диффузия характеризуется процессом переноса вещества из одной части системы в иную, что происходит по причине беспорядочно перемещающихся частиц. Различают такие разновидности диффузии:

    1. Самодиффузия представляет диффузию частиц одного вещества, протекающую при условии отсутствия градиента любой движущей силы.
    2. Концентрационная диффузия характеризуется перемещением вещества под определенным воздействием градиента концентрации. Такая диффузия также будет называть нисходящей, что обусловлено перемещением вещества из участков с большей концентрацией в такие же, только с меньшей.
    3. Термодиффузия заключается в переносе вещества под определенным температурным воздействием. Данный вид диффузии обусловлен появлением в температурном поле градиента химического потенциала диффундирующего вещества, которое будет перемещаться из частей системы, где его химический потенциал более высокий, в части с низким потенциалом. Концентрация вещества при этом будет изменяться в обратном направлении, а такая диффузия получила название восходящей.
    4. Реактивная диффузия характеризуется перемещением вещества в такие участки системы, где становится возможным образование с другим компонентом раствора химического соединения (диффундирующее вещество будет выводиться из исходной фазы в обособленную.
    5. Концентрационная диффузия считается в физике самым простым случаем и наиболее изученным.

    Ничего непонятно?

    Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

    Процессы такой разновидности диффузии описывает уравнение законов Фика:

    $dm = -{D}{dS}{dx}\frac{dc}{dx}$, где:

    • $dm$ — количество продиффундировавшего вещества;
    • $dS$ – площадь сечения диффузионного потока,
    • $D$ – коэффициент диффузии;
    • $\frac{dc}{dx}$ — градиент концентрации, отрицательный потому, что диффузия идет от большей концентрации к меньшей.

    Влияние природы взаимодействующих веществ при диффузии

    Значение коэффициента диффузии $D$ оказывается тем выше, чем больше наблюдается отличие природы диффундирующего элемента от природы растворителя.

    Выражение зависимости коэффициента диффузии от концентрации диффундирующего элемента записывается таким образом:

    $D = {D_о}\frac{C_t}{C_t-C_x}$, где:

    • $C_t$ – предельная концентрация, которая соответствует насыщению твердого раствора;
    • $C_x$– концентрация диффундирующего элемента;
    • $D_o$ – предельное значение коэффициента диффузии при уменьшении концентрации растворенного компонента до нуля.

    Замечание 1

    Активность диффузии будет зависимой от образуемого элементами типа раствора (внедрения или замещения).

    При расположении атомов диффундирующего вещества между узлами основной решетки, энергетические затраты будут существенно меньшими, что обусловлено отсутствием изъятия атомов из узлов при происхождении процесса. Диффузия при таких условиях будет протекать значительно быстрее.

    Существенно на скорости процесса диффузии будет отражаться присутствие в твердом растворе (помимо диффундирующего и основного веществ) третьего компонента. Такое воздействие будет различным в зависимости от ряда важных факторов:

    • растворение занимающего свободные места твердого компонента может существенно затруднить процесс диффузии;
    • присутствие в кристаллической решетке инородных атомов будет искажать ее, облегчая тем самым сам процесс диффузии.

    В значительной мере диффузия ускоряется по границам зерен металла, где наблюдается сильное искажение структуры. Располагающиеся у поверхности металла атомные слои тоже имеют искаженную кристаллическую решетку и повышенный энергетический запас энергии. Это объясняет более быстрое протекание диффузии с поверхности в сравнении с внутренними объемами.

    Мелким кристаллам свойственна большая величина поверхностной энергии на единицу массы металла, в сравнении с крупными. Это становится результатом того, что, на основании законов термодинамики, тенденция к росту кристаллов существует всегда, поскольку при этом наблюдается уменьшение свободной энергии системы.

    В то же время, при условии низких температур, подобная тенденция не сможет проявляться столь заметным образом, поскольку число блуждающих дислоцированных атомов будет очень маленьким.

    При повышающейся температуре будет фиксироваться рост количества таких атомов. При этом в мелких кристаллах их окажется больше, в сравнении с крупными, поскольку мелкие зерна являются «обладателями» большего энергетического запаса.

    При этом формируются диффузионные потоки атомов от кристаллов меньших размеров к более крупным. Различие в размерах кристаллов повышается, ускоряя тем самым процесс до полного поглощения крупными кристаллами мелких.

    Пример диффузии веществ

    Рассмотрим пример диффузии вещества из объема на поверхность катализатора или на поверхность реагирующих веществ. Так, пусть превращение вещества будет представлять реакцию первого порядка со скоростью, равной

    $w_{хим} = {ksC_п}$, где:

    • $w_{хим}$ – количество вещества, реагирующего в единицу времени у поверхности $S$;
    • $С_п$ – концентрация реагента у поверхности.

    Следствием превращения $С_п$ становится его значение, более меньшее, чем концентрация вещества в объеме раствора $С_{об}$ . Всю реагирующую смесь можно разделить на две области:

    • область постоянной концентрации подальше от поверхности реакции;
    • область быстро изменяющейся концентрации непосредственно рядом с этой поверхностью.

    Экспериментальным способом было установлено нулевое значение скорости движения жидкости на всех твердых поверхностях, граничащих с движущейся жидкостью. Транспортировка вещества выполняется через прилегающий к поверхности твердого тела неподвижный слой жидкости, что происходит вследствие диффузии реагирующих веществ.

    Замечание 2

    Такой неподвижный слой получил название слоя Нернста, чья толщина будет зависеть от свойств растворенного вещества, растворителя, скорости перемещения и пр.

    Для жидкости, к примеру, толщина данного слоя δ составит примерно 0.02 – 0.05 мм и возможно даже меньше. За его пределами процесс движения жидкости спровоцирует выравнивание концентрации в объеме раствора. Перенос массы вследствие диффузии описывается уравнением Фика:

    $\frac{dn}{dt} = -{SD}\frac{dC}{dx}$, где:

    • $\frac{dn}{dt} – количество вещества, диффундирующего за единицу времени через фиксированную поверхность $S$ в направлении возрастающих значений $x$..
    • $x$ – направление диффузии;
    • $D$ – коэффициент диффузии.

    Источник: https://spravochnick.ru/fizika/diffuzii_veschestv/

    Booksm
    Добавить комментарий