Диффузия в газах

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах

Диффузия в газах

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах

Один опыт я ценю выше тысячи  мнений, рождённых воображением

Михаил Васильевич Ломоносов

В данной теме продолжается ознакомление с первоначальными сведениями о строении вещества.

Молекулы – мельчайшие частицы вещества.Эти частицы настолько малы, что мы не в состоянии увидеть их невооруженным глазом, поэтому, все тела кажутся сплошными. Однако было доказано с помощью опытов, что тела состоят из малых частиц. Как оказалось, молекулы не стоят на месте, а постоянно находятся в беспорядочном движении.

Возникает вопрос: как это частички вещества могут находиться в непрерывном движении, если, например, стол сохраняет свою форму, и никакого движения не происходит? Стакан, чайник, карандаш – да любое твердое тело сохраняет свою форму неизменной. Как же может быть, что молекулы внутри этих тел двигаются? Это подтверждается наблюдениями и опытами.

Впервые такое предположение было высказано Робертом Броуном в 1827 г.

Как-то раз он разглядывал в капле воды под микроскопом споры растений. Внезапно Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и передвигаются с места на место.

Он установил, что эти движения, никак не связаны ни с потоками в жидкости, ни с ее постепенным испарением, а присущи самим частичкам.Если проследить за одной частицей, то можно убедиться, что её движение совершенно хаотично и её траекторию невозможно предугадать.

Частицы, двигающиеся таким образом, стали называть броуновскими, да и само движение было названо броуновским.

Происходит это вот из-за чего: молекулы, беспорядочно двигаясь, постоянно ударяют по броуновским частицам. Это приводит к тому, что частица постоянно смещается в разные стороны.

При увеличении температуры молекулы начинают двигаться быстрее, соответственно, чаще ударяя броуновскую частицу, в результате чего эта частица тоже начинает двигаться быстрее.

Самих молекул не видно при использовании обычного микроскопа, поэтому создается впечатление, будто бы броуновские частицы движутся сами по себе. Понять это можно вот каким способом: если представить, что дети играют в огромный мяч, который толкают друг другу.

Стороннему наблюдателю, находящемуся на большом расстоянии будет казаться, что мяч двигается сам по себе, поскольку издалека детей видно не будет. Точно также и молекулы ударяют по броуновским частицам, заставляя их хаотически двигаться.

Именно тем, что молекулы постоянно находятся в движении, объясняется такое явление, как диффузия. Рассмотрим примеры диффузии. Например, это распространение запахов. Если открыть духи, то почти сразу можно почувствовать приятный запах. Также, если распылить какую-то едкую жидкость, немедленно можно почувствовать неприятный запах.

Каким же образом это происходит? Молекулы того или иного газа находятся в беспорядочном движении, как и молекулы воздуха.

Постепенно они начинают перемешиваться, то есть, молекулы данного газа проникают в пространство между молекулами воздуха, и наоборот.

Таким образом, через некоторое время часть молекул попадает в нос человеку, и он чувствует запах. Опираясь на бытовой опыт можно сделать вывод, что диффузия в газах происходит довольно быстро.

Тогда возникает вопрос: может ли диффузия происходить в жидкостях? Несомненно. В предыдущей теме был проведен опыт по окрашиванию воды.

Каким образом вода окрасилась?Когда краска попала в воду, молекулы краски начали проникать в пространство между молекулами воды, и наоборот. В итоге, вода равномерно окрасилась.

Можно отметить, что подобные явления окружают нас каждый день. Например, явлением диффузии является заварка чая или кофе.

Когда чай или кофе заливается кипятком, вода постепенно окрашивается. Важно отметить, что если вода недостаточно горячая, то и чай, и кофе будут плохо завариваться, значительно медленнее, чем обычно. Из этого следует вывод: повышение температуры способствует ускорению диффузии. И наоборот, понижение температуры замедляет диффузию.

Вопрос: в твердых телах может происходить диффузия? Припаркованная машина может стоять на асфальте, но при этом не перемешиваются же её шины с дорожным покрытием. Люди ходят в одежде, сидят на стуле и так далее, но никакого перемешивания не происходит. Не надо спешить с выводами.

Дело в том, что диффузия в твердых телах проходит очень медленно, поэтому ссылаться на повседневный опыт не стоит. Тем не менее, существует ряд успешных экспериментов, подтверждающих, что диффузия проходит и в твердых телах.

Например, если очень хорошо отполировать пластины свинца и золота и приложить их друг к другу, хорошенько придавив, то процесс диффузии будет происходить. Для того, чтобы свинец проник в золото всего на один миллиметр, понадобиться приблизительно 5 лет.

Другим примером является похожий эксперимент, который был проведен Уильямом Робертсом-Остином – английским металлургом XIX века.

Он использовал ту же идею: нанес слой золота на один из концов свинцового цилиндра. После этого он поместил цилиндр в печь, и продержал его там около десяти дней при температуре примерно 200 градусов Цельсия.

После этого Робертс-Остин разрезал цилиндр на тонкие диски, чтобы измерить, насколько золото проникло в свинец. Оказалось, что в том конце, где был чистый свинец, появилось вполне измеримое количество золота. И, наоборот, — в золото проник свинец.

Этот опыт, в сравнении с предыдущим, отлично демонстрирует, насколько сильно температура влияет на скорость протекания диффузии.

Упражнения.

Упражнение 1. Определите, что из перечисленных примеров является примером диффузии.

Решение:

На рисунках представлено три процесса: переливание жидкости из одного сосуда в другой, нагревание жидкости и растворение кусочка сахара в чае. В каких случаях можно говорить о диффузии? Диффузия – это явление самопроизвольного взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого.

Когда жидкость переливается из одной емкости в другую, то происходит простое разделение вещества, не перемешивая его молекулы с какими-то другими молекулами. Поэтому, первый случай не является примером диффузии. Нагревание жидкости – это тоже не пример диффузии.

Несомненно, диффузия ускоряется с повышением температуры. Но здесь речь идет только об одной жидкости, а диффузия, по смыслу, может происходить только при участии двух и более веществ.

В третьем примере, конечно, имеет место диффузия, ведь, молекулы сахара проникли в пространство между молекулами воды, таким образом, образовав раствор.

Упражнение 2. Определите, в каком случае диффузия будет происходить быстрее всего.

Решение:

На рисунке изображены три разные ситуации. В каком случае диффузия произойдет быстрее? На рисунках представлен пример диффузии твердых тел и два примера диффузии жидкостей. В твердых телах диффузия происходит гораздо дольше, чем в жидкостях и, тем более, газах.

Поэтому, с уверенностью можно говорить, что в первом случае диффузия будет происходить медленнее всего. В двух других случаях представлены примеры диффузии воды и масла. В одном из случаев, речь идет о воде комнатной температуры, а в другом – о кипящей воде.

Поскольку более высокая температура способствует ускорению диффузии, можно сказать, что во втором случае диффузия будет происходить быстрее всего.

Основные выводы:

Броуновское движение – это явление беспорядочного движения молекул.

Диффузия – это явление, при котором происходит самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого вещества.

Диффузия довольно быстро протекает в газах и немного медленнее в жидкостях.

– В твердых телах диффузия протекает очень медленно.

– Диффузия происходит быстрее при более высокой температуре.

Источник: https://videouroki.net/video/4-diffuziia-v-ghazakh-zhidkostiakh-i-tvierdykh-tielakh.html

Диффузия в газах: примеры и опыты, значение в жизни человека

Диффузия в газах

1001student.ru > Физика > Диффузия в газах: примеры и опыты, значение в жизни человека

Классическое атомно-молекулярное учение является теоретическим фундаментом разных естественных наук и позволяет обосновать многие происходящие в природе явления. Одним из таких процессов является диффузия.

С ней дети знакомятся на уроках физики. Проявление одного из видов этого явления — диффузии в газах — можно встретить во взаимодействии живых и неживых объектов природы, а также в практической деятельности человека.

Теория диффузионных процессов

В школьном курсе физики диффузия определяется как взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, обусловленное их хаотическим тепловым движением. Причиной процесса является свойственное всем физическим системам стремление к состоянию равновесия, а результатом — равномерное распределение диффундирующих веществ по занимаемому объёму.

История исследования

Первым и наиболее наглядным экспериментальным примером процесса служит броуновское движение микроскопических частиц твёрдого вещества в жидкой или газовой среде, открытое в 1827 году британским ботаником Робертом Броуном. В дальнейшем термин «диффузия» стал применяться только для описания процессов, происходящих на молекулярном уровне:

  1. В этом же году французский учёный Рене Дютроше опубликовал результаты исследований по разделению жидкостей с помощью мембран. На основании опытов с растворами солей, этанолом и маслами им была установлена зависимость скорости диффузии от разности плотностей или концентраций веществ.
  2. Австрийский физик Лошмидт изучил процесс взаимного проникновения углекислого газа и водорода, при этом условия опыта обеспечивали смешивание газов только за счёт молекулярного движения. Учёным был сделан вывод, что соприкасающиеся газы всегда диффундируют друг с другом, за исключением химического взаимодействия веществ. Кстати, и броуновское движение, и диффузия относятся к физическим явлениям, поскольку в процессах не происходит изменений молекул и химического состава веществ.
  3. Английский учёный Томас Грэм начал свою научную деятельность с исследования диффузии применявшегося в XIX веке для освещения городов светильного газа. Впоследствии Грэм разработал метод выделения из воздуха кислорода и азота, методы мембранного разделения и диализной очистки растворов и газовых смесей, вывел закон эффузии (как закон Грэма) об истечении газов через пористую поверхность или искусственную мембрану.
  4. Анализы этих и других исследований дали немецкому физику Адольфу Фику повод провести аналогию между процессами теплообмена и массообмена при диффузии. В результате математическая теория теплопроводности Фурье была применена Фиком для теоретического обоснования диффузионных процессов.

Эти работы позволили сформулировать современное определение диффузии как физического процесса взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами другого или других веществ, приводящего к самопроизвольному выравниванию их концентраций.

Закон Фика

Количественная теория диффузии, названная впоследствии в честь ученого законом Фика, была представлена в 1855 году. Путем исследований соляных растворов Фик пришел к выводу, что свободная диффузия происходит по законам, аналогичным законам распространения тепла. В основе обоих явлений лежит механизм молекулярного переноса, в одном случае — массы, в другом — энергии.

В одном из первых определений физический смысл закона раскрывался так: количество вещества, проходящее за известное время в направлении убывающей концентрации через элемент поверхности, пропорционально величине этого элемента поверхности, промежутку времени, величине убывания концентрации по направлению течения.

Современная формулировка закона Фика выглядит следующим образом: «Скорость диффузии вещества пропорциональна площади поверхности, через которую переносится вещество, и градиенту концентрации этого вещества».

Математическое уравнение диффузии выражается формулой: Δn/Δt=D∙S∙(ΔC/Δx), где:

  • Δn — количество переносимого вещества (диффузионный поток), моль;
  • Δn/Δt — скорость диффузии, моль/с;
  • D — коэффициент диффузии, м²/с;
  • S — площадь поверхности, м²;
  • ΔC/Δx — градиент концентрации, моль/м⁴.

Количественными характеристиками процесса являются: градиент концентрации (уменьшение концентрации на единицу длины) и коэффициент диффузии, определяемый свойствами среды и типом диффундирующих частиц. Для газовых сред коэффициент диффузии D обратно пропорционален давлению газа, увеличивается пропорционально росту температуры (при постоянном объёме), уменьшается с увеличением молекулярной массы.

Для наглядности можно привести данные значения коэффициента D для некоторых случаев односторонней диффузии веществ в различных агрегатных состояниях.

Диффундирующее веществоОсновное веществоТемпература, °CКоэффициент диффузии, м²/с
Водород (газ)Кислород (газ)00,70∙10-4
Пары водыВоздух00,23∙10-4
Пары этиленового спиртаВоздух00,10∙10-4
СольВода201,10∙10-9
СахарВода200,30∙10-9
Золото (твёрдое)Свинец (твёрдый)204∙10-14
Свинец (твёрдый)Самодиффузия2857∙10-15

Особенности явления в газовых средах

Основной характеристикой диффузионных процессов является их скорость, которая зависит от нескольких факторов: агрегатного состояния вещества, температуры и внешних воздействий. Так как механизмом процесса является молекулярное движение, диффундирование происходит в веществах, находящихся в любом агрегатном состоянии.

Газообразные среды характеризуются наибольшей скоростью смешивания частиц, что обусловлено свободным объёмным размещением атомов и молекул.

На них не распространяются физические понятия упорядоченности частиц, дальнего и ближнего порядка их взаимного расположения, применяемые для твёрдых, жидких и аморфных веществ.

По этой же причине для газовых сред более значительно на скорость диффундирования влияет изменение температуры и плотности, так как в обоих случаях сопротивление движению молекул за счёт межатомных связей практически не изменяется.

Эти положения подтверждаются и данными приведённой выше таблицы. Значение коэффициента диффузии в газовых средах на 5 порядков (в тысячи раз) превосходит значения для жидких сред и на 10 порядков (в сотни миллионов раз) — для твёрдых тел.

Примеры из природы и жизни человека

Диффузионные процессы в газовых средах являются одними из наиболее распространённых в природе, а их проявления окружают человека в его естественной жизнедеятельности, в быту, технике и промышленности. Можно привести достаточное количество простых примеров диффузии в газах, известных по повседневной жизни:

  1. Диффузия атмосферного воздуха — одно из условий возникновения и сохранения жизни на нашей планете. Благодаря процессу поддерживается постоянный и необходимый для живых организмов состав газовой смеси в нижних слоях земной атмосферы.
  2. Дыхание человека и животных обеспечивается постоянным газообменом воздуха в лёгких. В результате газовой диффузии кислород поступает из вдыхаемого воздуха в клетки крови, а углекислый газа из крови — в выдыхаемый воздух. Необходимая скорость процесса поддерживается за счёт разности парциальных давлений газов в альвеолярном воздухе и крови.
  3. Диффузия углекислого газа является условием фотосинтеза растений. При поглощении газа клетками растительных волокон на их поверхности возникает градиент концентрации, вызывающий направленное движение газа из окружающего воздуха к фотосинтезирующим органам растения.
  4. Диффузионные процессы определяют распространение в воздухе запахов, имеющих огромное значение в жизни живых организмов. С их помощью определяется источник пищи или опасности, находится дорога к дому или передаётся информация. Для таких древних и сложных сообществ, как пчелиный рой или муравьиная колония, запаховая сигнализация служит способом коммуникации.

Явление газовой диффузии нашло применение во многих изобретениях человека. Для научных и практических задач основным значением процесса служит управление концентрациями вещества в неоднородных средах. Одни примеры такого применения известны больше, другие — меньше:

  1. Многообразные парфюмерные ароматические изделия — духи, одеколоны, дезодоранты, освежители, применение которых без диффузии трудно представить.
  2. Диффузия помогает обеспечить безопасность при использовании природного газа. Как известно, применяемый в быту и производстве природный газ метан не имеет собственного запаха. Чтобы вовремя обнаружить его утечку, на газораспределительных станциях в него добавляют специальную жидкость этилмеркаптан с резким характерным запахом.
  3. В промышленности, энергетике и санитарии механизм диффузии используется в системах ионной очистки газов.
  4. В космической отрасли явление газовой диффузии служит как причиной многих проблем, так и способом их решения. Одной из проблем является истечение воздуха сквозь материалы космического корабля, в связи с чем его запасы на борту МКС приходится постоянно возобновлять с Земли. Одновременно с этим очистка бортового воздуха от углекислого газа производится на газодиффузионных установках.
  5. Закон Грэма лежит также в основе атмолиза — газодиффузионного метода, применяемого в атомной технологии для разделения изотопов при обогащении урана.

Любопытным для многих будет факт, что упомянутый закон Грэма имеет практическое отношение и к любимым детьми воздушным шарикам.

Дело в том, что резиновые шары, наполненные гелием, теряют свой объём значительно быстрее накачанных воздухом. Эту информацию стоит взять на заметку многим родителям.

Источник: https://1001student.ru/fizika/diffuziya-v-gazah-primery-i-opyty-znachenie-v-zhizni-cheloveka.html

Диффузия. урок. Физика 7 Класс

Диффузия в газах

Для того чтобы сахар в чае растворился быстрее, его нужно размешать. Но, оказывается, если этого не делать, то все равно через некоторое время весь сахар растворится, и чай станет сладким. В ходе этого урока вы узнаете, что такое самопроизвольное перемешивание веществ объясняется непрерывным хаотическим движением молекул, а называется такое явление диффузией.

Тема: Первоначальные сведения о строении вещества

Урок: Диффузия 

В нашей повседневной жизни мы иногда не замечаем некоторых физических явлений. Например, кто-то открыл флакон с духами, и мы, даже находясь на большом расстоянии, почувствуем этот запах.

Поднимаясь по лестнице к своей квартире, мы можем ощутить запах пищи, приготовленной дома.

Мы опускаем в стакан с горячей водой пакетик с заваркой для приготовления чая, и даже не замечаем, как заварка окрашивает всю воду в чашке.

Рис. 1. Хотя чайная заварка находится внутри пакетика, она окрашивает всю воду в чашке

Все перечисленные явления связаны с одним и тем же физическим явлением, которое называется диффузией. Происходит она потому, что молекулы одного и другого вещества взаимно проникают друг между другом.

Диффузия – это самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого.

В этом определении важным является каждое слово: и самопроизвольное, и взаимное, и проникновение, и молекул.

Если налить в сосуд раствор медного купороса (голубого цвета), а сверху аккуратно, не допуская перемешивания, налить чистую воду, то можно заметить, что поначалу довольно четкая граница между водой и медным купоросом со временем становится все более размытой. Если продолжать опыт в течение недели, эта граница совершенно исчезнет, и жидкость в сосуде станет равномерно окрашенной.

Рис. 2. Диффузия раствора медного купороса в воде

Значительно быстрее происходит процесс диффузии в газах. Возьмем цилиндрический стеклянный сосуд без дна и прикрепим к его внутренней поверхности вертикальные полоски универсальной индикаторной бумаги. Эти полоски обладают способностью изменять свой цвет под действием паров некоторых веществ.

Нальем небольшое количество такого вещества на дно чашки и поместим в эту чашку цилиндрический сосуд. Мы увидим, что сначала индикаторные полоски изменят свой цвет в их нижней части, но уже через 10-20 секунд полоски приобретут ярко-синюю окраску по всей длине.

Это значит, что воздух и газообразное вещество самопроизвольно перемешались между собой, то есть произошло взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого, значит произошла диффузия.

Рис. 3. В результате диффузии паров летучего вещества окраска полосок индикаторной бумаги изменяется вначале внизу, а затем по всей длине

Оказывается, на скорость диффузии определенных веществ можно влиять. Чтобы убедиться в этом, возьмем два стакана, один с горячей, а другой с холодной водой. Насыплем в оба стакана одинаковое количество растворимого кофе. В одном из стаканов диффузия пойдет гораздо быстрее. Как подсказывает вам жизненный опыт, диффузия происходит тем быстрее, чем выше температура диффундирующих веществ.

Рис. 4. Вода в правом стакане имеет более высокую температуру, и поэтому диффузия растворимого кофе в нем происходит быстрее

Чем выше температура веществ, тем быстрее происходит диффузия.

Может ли происходить диффузия в твердых телах? На первый взгляд – нет. Но опыт дает другой ответ на этот вопрос. Если поверхности двух различных металлов (например, свинца и золота) хорошо отполировать и плотно прижать друг к другу, то взаимное проникновение молекул металлов можно зарегистрировать на глубину около одного миллиметра. Правда, для этого потребуется время в несколько лет.

Рис. 5. Диффузия в твердых телах происходит крайне медленно

— Диффузия может происходить в газах, жидкостях и твердых телах, но время, необходимое для протекания диффузии, значительно различается.

 — Скорость диффузии можно увеличить, увеличивая температуру диффундирующих веществ.

Список литературы

1. Перышкин А.В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.

2. Перышкин А.В. Сборник задач по физике, 7 – 9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.

3. Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7 – 9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов (Источник).  

2. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов (Источник).

Домашнее задание

Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7 – 9 классов

№ № 56–63, 65–67.

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/7-klass/pervonachalnye-svedeniya-o-stroenii-vewestva/diffuziya?trainers

ПОИСК

Диффузия в газах
    Приведенные уравнения позволяют проанализировать влияние внешних факторов (давления и температуры) на диффузию. В частности, повышение температуры приводит к увеличению коэффициента дифс )узии как газов, так и жидкостей.

Увеличение давления в системе уменьшает скорость диффузии в газах, а повышение вязкости жидкости снижает скорость диффузии газа в жидкости. [c.

26]
    Коэффициенты диффузии в газах при давлении 1 ат составляют приблизительно 0,1 — 1 м / , а для жидкости значения их в 10 —10 раз меньше, т. е. порядка 1 см сутки. Зависимость коэффициентов диффузии в жидкостях от температуры выражается эмпирическим уравнением [c.

246]

    В данной главе рассматриваются закономерности молекулярной и турбулентной диффузии в газах. Равновесие и кинетика химических реакций горения рассмотрены в гл. 4 и 5. [c.63]

    Как известно из молекулярной физики, коэффициенты вязкости, теплопроводности и диффузии в газах пропорциональны произведению скорости движения молекул и длины пути их свободного-пробега. По аналогии с этим пульсационное движение в жидкости вызывает появление дополнительных параметров турбулентной вязкости е, турбулентной теплопроводности и турбулентной диффузии [c.21]

    В рассмотренных выше закономерностях коэффициент диффузии О является единственным параметром, который зависит от природы диспергированного вещества и дисперсионной среды. В соответствии с (3.2) этот параметр измеряется в единицах см /с.

Диффузия — медленный процесс, поэтому и величина О мала. Самые высокие значения О достигаются при диффузии в газах, где молекулы обладают наибольшей подвижностью.

Кинетическая теория газов дает следующее выражение для коэффициента диффузии молекул газа  [c.41]

    Эта величина связана с давлением газа Р соотношением п = Р/кТ. Таким образом, выражение (III.2) для коэффициента молекулярной диффузии в газах может быть записано в виде  [c.99]

    Если коэффициенты люлекулярной диффузии неизвестны, приближенные их значения можно найти с помощью методов, которые рассматриваются в литературе, приведенной в библиографии (см. стр. 147).

Коэффициент молекулярной диффузии в газах пропорционален причем коэффициент пропорциональности является медленно возрастающей функцией температуры. Мы не будем здесь углубляться в теорию многокомпонентной диффузии. Примем коэффициент диффузии вещества в смеси равным В..

Хорошее приближение величины В можно получить по формуле, связывающей В с коэффициентами диффузии В. для каждой пары веществ А., А г. [c.131]

    Для расчета коэффициентов молекулярной диффузии в газах наиболее часто используется эмпирическое уравнение Арнольда [2], которое удовлетворительно согласуется с опытными данными (отклонение от опытных значений 8—21%)  [c.195]

    В табл. 8 приведены данные по шкале турбулентности, размерам наименьших вихрей и минимальному времени смешения для двуокиси углерода, диффундирующей в турбулентно движущиеся газы и жидкости при 1 ama и 15 С. Как следует из табл. 8, несмотря на разницу в значениях кинематической вязкости газов и жидкостей, размеры наименьших вихрей в них сравнимы. Однако вследствие более низких значений коэффициентов молекулярной диффузии в жидкостях время смешения в них больше, чем при диффузии в газы. [c.121]

    Уравнение (П1, 49) используется для определения коэффициента диффузии в газах по методу Стефана и называется уравнением Стефана. Если парциальное давление компонента А весьма мало по сравне- [c.204]

    Диффузия в газах. Для расчета коэффициентов диффузии в газовых бинарных смесях рекомендуется метод, предложенный в [67]. Авторы этой работы применяют групповой метод определения особых ди ))фузионных объемов , которые используются для определения коэффициентов диффузии по формуле [c.180]

    Следует иметь в виду, что коэффициент диффузии в газах, вычисляемый но формуле (11.41), может считаться независимым от концентрации диффундирующего вещества.

Коэффициент диффузии в жидкостях весьма существенно изменяется с изменением концентрации. Формула (11.42). справедлива только для разбавленных растворов.

Для концентрированных растворов необходим соответствующий пересчет, для которого может бь[ть рекомендована зависимость  [c.264]

    Причины размывания хроматографических полос, вызванные диффузией в газе и порах сорбента, а также массообменом между газом и сорбентом, объясняются диффузионно-массообменной теорией Ван-Деемтера — Жуховицкого. [c.52]

    Следует отметить, что численные значения коэффициентов диффузии в газах примерно на четыре порядка больше, чем коэффициенты диффузии в жидкостях. [c.26]

    Теоретическое предсказание величины D и ее зависимости от режимных параметров псевдоожижения затруднительно. Известно, что при обычной молекулярной диффузии в газе = [c.98]

    Формулы для определения коэффициентов диффузии в газах формула Максвелла, модифицированная Джиллилендом [c.263]

    Для установившейся диффузии в газе уравнение мольной скорости имеет следующий вид  [c.544]

    Толщина 0 зависит от динамического состояния системы и физических свойств среды, в которой происходит диффузия.

В газах толщина 0 намного меньше, чем в жидкостях, поэтому скорость диффузии в первых больше, чем во вторых. Меняя динамическое состояние системы, можно влиять на 0 больше всего она у покоящейся системы.

При нарушении покоя значение 0 уменьшается по мере увеличения интенсивности перемешивания 6 -> min. [c.166]

    Кинематический коэффициент диффузии в газах можно рассчитать, используя уравнение Гиршфельдера, модифицированное Уилком и Ли  [c.74]

    Таким образом, единственным параметром, определяющим размывание при малых скоростях в пустой трубке, является коэ и-циент молекулярной диффузии в газе. При больших скоростях размывание в пустой трубке (рост ВЭТТ) вызвано в основном динамической диффузией в уравнениях (VHI.47) и (VUI.48) — это будет второй член.

Член С растет с увеличением диаметра трубки он также становится больше, если в качестве газа-носителя взят азот, а не водород и не гелий, поскольку коэффициент молекулярной диффузии D в азоте намного меньше, чем в водороде и гелии. При большой скорости первый член (VH1.47) и (УП1.48) ничтожно мал при малой скорости существенное влияние на Н имеет первый член (VU 1.

47), и в этом случае размывание в водороде и гелии больше, чем в азоте. [c.209]

    Коэффициент В называется коэффициентом диффузии. Он зависит от природы диффундирующего вещества и среды, а также от температуры. Коэффициент диффузии увеличивается с повышением температуры по закону, аналогичному уравнению Аррениуса.

Однако энергия активации диффузии в газах или жидкостях обычно не превышает 1—4 ккал/моль, т. е. во много раз меньше энергий активации химических реакций.

Следовательно, с повышением температуры скорость диффузии растет значительно медленнее (у—1,1), чем скорость химического процесса (у —2—4). [c.293]

    Подоб гоо распространение результатов кинетической теории диффузии в газах на жидкузо фазу пе вполне надежно, однако мы еще пе располагаем другим, более эффективным сродством для ренгеыия вопроса о механизме молекулярной диффузии в жидкостях. [c.66]

    Так как коэффищ1енты диффузии в газе на четыре порядка больше, чем коэффищ1ент диффузии в жидкости, то даже при малых временах образования пузыря т/ велико, и формулы (4.152) и (1.153) неприменимы. В данном случае выражение для локального потока вещества к поверхности капли в предположении быстрого перемешивания газа в объеме пузыря имеет вид [c.214]

    Диффузия относится к процессам переноса. Механизм явления диффузии в жидкостях близок механизму диффузии в твердых телах, но существенно отличается от процессов диффузии в газах. В газах основным является представление о длине свободного пробега, теряющее смысл в жидкостях.

Кроме того, сильт взаимодействия между молекулами оказывают сильное влияние на характер их движения. Феноменологическая теория диффузии вводит эмпирический параметр — коэффициент диффузии Z), определяемый свойствами растворителя и растворенного вещества. В микроскопической статистической теории проводится расчет iiToro коэффициента.

Связь микроскопического и макроскопического описаний диффузии осуществляется через коэффициент ди( )фузии D. [c.46]

    Продольная диффузия в газе. Молекулы интересующего нас компонента газовой фазы, увлекаемые потоком газа вдоль колонки, вместе с тем двигаются хаотически во всех направлениях. Их движение и направлении, перпепдику-.чярном оси колонки, не приводит к размыванию полосы, но их хаотическое движение вдоль потока (вперед и назад) способствует размыванию полосы. [c.581]

    Приложение II. Коэффициенты диффузии ( мV ) некоторые газов при диффузии в газе (Ог) и жидкости 0 ) [c.232]

    Молекулярная диффузия в газах и растворах ,кидкостей происходит в результате хаотического движения молекул, не связанного с дви /кением потоков /к идкости. В отом случае, т. е.

когда концентрации перемещающихся в пространстве моле1 ул малы, препятствий к взаимосвязанному их перемещению нет, В результате имеет место перенос молекул распределяемого вещества из областей высоких концентраций в область низ1 их концентраций.

Кинетика переноса подчиняется в этом случае первому заноиу Фика, формулировка которого аналогична закону теплопроводности количество продиф-фундировавшего вещества пропорционально градиенту концентраций, площади, перпендикулярной направлению диффузионного потока, и времени  [c.263]

    Формулы (1. 38) и (1. 39) показывают влияние внешних фа1ето-ров — давления и температуры — на диффузию. По численному значению коэффициенты диффузии в жидкостях примерно па четыре порядка меньше коэффициентов диффузии в газах. [c.30]

    Влияние природы газа-носителя на величину стеночного эффекта и на размывание вследствие наличия в насадочной колонке непродуваемых газом областей также определяется значением коэффициента диффузии в газе.

В этом случае эффект размывания уменьшается с ростом коэффициента диффузии.

Следовательно, при работе с колонками большого диаметра, когда стеночный эффект становится ощутимым, следует работать с газом-носителем небольшой молекулярной массы. [c.53]

    Анализируя (П1.9), находим, что скорость диффузии в газах зависит в основном от степени измельченностн тела, поверхность которого участвует в процессе, и интенсивности перемешивания системы.

От температуры же, как следует из (И 1.10), скорость диффузии в газах зависит мало. Так, при изменении температуры на 10 градусов скорость диффузии в газах увеличивается всего на 5—7 % (ср.

с влиянием температуры на скорость гомогенных реакций). [c.166]

    Согласно этой теории причина размывания хроматографических полос обусловлена диффузией в газе и порах сорбента, а также массообменом между газом и неподвижной фазой. Сама диффузия имеет сложный характер.

В реальной хроматографической колонке могут происходить следующие виды диффузии а) молекулярная диффузия, обусловленная тепловым движением молекул б) вихревая диффузия, вызываемая завихрением газа вокруг зерен насадки в) недостаточная скорость массопередачи из газовой фазы к поверхности неподвижной жидкости (в ГЖХ) или к поверхности твердого адсорбента (в ГАХ), обусловленное внешней диффузией, или замедленной внешнеди( узионной массопередачей недостаточная скорость миграции молекул адсорбированного вещества с поверхности неподвижной фазы внутрь неподвижной фазы, обусловленное замедленной внутренней диффузией или замедленной внутридиффузионной массопередачей. Последние два вида диффузии направлены поперек [c.52]

    Согласно диффузионно-массообменпой теории (теория эффективной диффузии) причина размывания хроматографических полос обусловлена диффузией в газе и порах сорбента, а также массооб-меном между газом и неподвижной фазой. Сама диффузия имеет сложный характер. В реальной хроматографической колонке могут наблюдаться следующие виды диффузии  [c.95]

Источник: https://www.chem21.info/info/30211/

Диффузия в газах

Диффузия в газах

Диффузиейназывается явление взаимного проникновения двух или нескольких соприкасающихся веществ. Каждый из компонентов смеси переходит из области с большей концентрации в область с меньшей концентрацией. При диффузии, таким образом, происходит перенос вещества.

Диффузия в газах возникает и в том случае, если они неоднородны по концентрации или плотности (самодиффузия). Для количественного описания этого явления используют понятие диффузионного потока.

Диффузионный поток можно выразить через массу переносимого вещества или через число молекул (или молей) переносимого вещества.

Диффузионный поток как поток массы определяется массой вещества, перенесённого через площадку dS, перпендикулярную направлению переноса, в единицу времени.

Часто используют понятие плотности диффузионного потока. Плотность диффузионного потока определяется массой вещества, перенесённого через единичную площадку, перпендикулярную направлению переноса, в единицу времени.

Плотность диффузионного потока равна:

, (5.13)

где dM- элемент массы вещества, переносимого через бесконечно малую площадку dS , перпендикулярную направлению переноса, за бесконечно малый промежуток времени dt.

Диффузионный поток как поток частиц определяется числом частиц вещества, перенесённого через площадку dS, перпендикулярную направлению переноса, в единицу времени.

Плотность диффузионного потока определяется числом частиц вещества, перенесённого через единичную площадку, перпендикулярную направлению переноса, в единицу времени.

В этом случае плотность диффузионного потока равна:

, (5.14)

где dN- элементарное число частиц вещества, переносимого через бесконечно малую площадку dS , перпендикулярную направлению переноса, за бесконечно малый промежуток времени dt.

Основной закон диффузии – закон Фика:

плотность диффузионного потока какого-либо компонента вещества прямо пропорциональна градиенту концентрации (плотности) этого компонента со знаком «минус»:

(5.15)

Здесь — вектор положительной нормали к площадке, через которую переносится вещество; его направление совпадает с направлением переноса вещества.

Градиент плотностиgrad r — это вектор, который, характеризует быстроту изменения скалярной величины – плотности — в пространстве и направлен в сторону наиболее быстрого возрастания данной плотности.

D — коэффициент диффузии. Знак «минус» показывает, что направление потока вещества противоположно градиенту плотности.

Градиент плотности можно записать так:

, (5.16)

где — единичные вектора, направленные вдоль осей x,y,z, соответственно.

Для одномерного случая и уравнение (5.15) может быть переписано в скалярном виде при условии, что направления векторов и совпадают:

(5.17)

Аналогично можно записать закон Фика и через поток частиц:

(5.18)

Коэффициент диффузии численно равен плотности диффузионного потока при единичном градиенте концентрации (плотности) и СИ измеряется в . В системе СГС используют единицу измерения 1 Стокс = .

В идеальных газах механизм переноса вещества обусловлен соударениями молекул, поэтому, чем выше температура газа, тем больше диффузионный поток и коэффициент диффузии. Коэффициент диффузии, а точнее самодиффузии (диффузии вещества самого в себя, обусловленной неоднородностью концентрации) для идеальных газов можно выразить так (вывод см. в [2]):

(5.19)

Здесь — средняя длина свободного пробега молекул идеального газа, — средняя арифметическая скорость молекул.

При фиксированной температуре обратно пропорциональна давлению, а скорость является постоянной, поэтому коэффициент диффузии. обратно пропорционален давлению.

При фиксированном давлении прямо пропорциональна Т, а средняя арифметическая скорость ~ , поэтому коэффициент диффузии в этом случае пропорционален .

Диффузия бывает нестационарной и стационарной. При нестационарной диффузии с течением времени благодаря переносу вещества выравниваются концентрации первоначально неоднородных областей. Разность концентраций со временем убывает по экспоненциальному закону (вывод см. в [1,2]):

(5.20)

Здесь — время релаксации, то есть время, в течение которого концентрация диффузионного потока уменьшается в е раз; x – расстояние, на котором определяется разность концентраций; S – площадь, через которую происходит диффузия; — приведённый объём; V1 – объём области с концентрацией n1; V2 – объём области с концентрацией n2, определяющих разность концентраций .

Стационарная диффузия наблюдается при поддержании постоянным градиента концентрации, и, следовательно, диффузионного потока.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/3_90966_diffuziya-v-gazah.html

Booksm
Добавить комментарий