Диффузия

Диффузия

схема осмоса через полупроницаемую мембрану

Диффу́зия (лат.

 diffusio «распространение, растекание, рассеивание; взаимодействие») — процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму[1].

В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (противоположно направлению вектора градиента концентрации).

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы.

Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит с огромной скоростью. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее.

Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое.

Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.

Первое количественное описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком в 1855 году.

Общее описание[ | ]

Все виды диффузии подчиняются одним законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров).

Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C.

Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность.

Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню продолжительности диффузии.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул[2]. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул.

В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение.

Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.

В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235U от основной массы 238U).

Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур.

При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.

Уравнения Фика[ | ]

С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал μ {displaystyle mu } , обусловливающий поддержание потока вещества. При этом поток частиц вещества пропорционален градиенту потенциала

J {displaystyle J} ~ − C ( ∂ μ ∂ x ) p , T . {displaystyle -Cleft({frac {partial mu }{partial x}}
ight)_{p,T}.}

Используя разложение химического потенциала по степеням концентрации, справедливое для газов и слабых растворов,

μ {displaystyle mu } = k B T l n C + ϕ 0 ( T ) + ϕ 1 ( T ) C + {displaystyle k_{B}TlnC+phi _{0}(T)+{phi _{1}(T)}{C}+} …

можно показать, что ведущий член в выражении для потока частиц

J = − D ∂ C ∂ x , {displaystyle J=-D{frac {partial C}{partial x}},}

которая показывает, что плотность потока вещества J {displaystyle J} (измеренное, например, в моль·см-2с-1) пропорциональна коэффициенту диффузии D {displaystyle D} [см2с-1] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):

∂ C ∂ t = ∂ ∂ x D ∂ C ∂ x . {displaystyle {frac {partial C}{partial t}}={partial over partial x}D{frac {partial C}{partial x}}.}

Коэффициент диффузии D {displaystyle D} зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температуры эта зависимость представляет собой соотношение_Эйнштейна.

Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера—Планка. Процессы диффузии имеют большое значение в природе:

• Питание, дыхание животных и растений;
• Проникновение кислорода из крови в ткани человека.

Геометрическое описание уравнения Фика[ | ]

Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения концентрации во времени, а в правой части уравнения — вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение концентрации, в частности, выпуклость функции распределения температуры, проецируемую на ось x {displaystyle x} .

Уравнения Онзагера для многокомпонентной диффузии и термодиффузии[ | ]

Законы Фика применимы для случая малых значений концентраций n {displaystyle n} и градиентов концентрации − ∇ n {displaystyle -abla n} .

В 1931 году Ларс Онзагер[3] предложил модель для описания процессов переноса многокомпонентной среды в случае линейных термодинамических неравновесных систем:

J i = ∑ j L i j X j . {displaystyle mathbf {J} _{i}=sum _{j}L_{ij}X_{j},.}

Здесь J i {displaystyle mathbf {J} _{i}}  — поток i {displaystyle i} -ой компоненты и X j {displaystyle X_{j}}  — термодинамическая сила, L i j {displaystyle L_{ij}} — матрица кинетических коэффициентов.

Термодинамическая сила по Онзагеру определяется как градиент от частной производной энтропии (термин «сила» Онзагер брал в кавычки, поскольку здесь подразумевается «движущая сила»):

X i = ∂ s ( n ) ∂ n i , {displaystyle X_{i}={frac {partial s(n)}{partial n_{i}}},} где n i {displaystyle n_{i}}  — «термодинамические координаты».Для тепло- и массопереноса мы можем положить n 0 = u {displaystyle n_{0}=u} (плотность внутренней энергии) и n i {displaystyle n_{i}} это концентрация i {displaystyle i} -ой компоненты. Соответствующее значение движущих сил в таком случае выражаются следующим образом:
X 0 = g r a d 1 T   , X i = − g r a d μ i T ( i > 0 ) , {displaystyle X_{0}={
m {grad}}{frac {1}{T}} ,;;;X_{i}=-{
m {grad}}{frac {mu _{i}}{T}};(i>0),} поскольку d s = 1 T d u − ∑ i ≥ 1 μ i T d n i . {displaystyle {
m {d}}s={frac {1}{T}}{
m {d}}u-sum _{igeq 1}{frac {mu _{i}}{T}}{
m {d}}n_{i}.}

Здесь T {displaystyle T}  — температура и μ i {displaystyle mu _{i}}  — химический потенциал i {displaystyle i} -ой компоненты. Следует отметить, что данное рассмотрение приводится без учета движения среды, поэтому мы здесь пренебрегаем членом с производной давления. Такое рассмотрение возможно в случае малых концентраций примесей с малыми градиентами.

В линейном приближении вблизи точки равновесия мы можем выразить термодинамические силы следующим образом:

X i = ∑ k ≥ 0 ∂ 2 s ( n ) ∂ n i ∂ n k | n = n ∗ g r a d n k   , {displaystyle X_{i}=sum _{kgeq 0}left.{frac {partial {2}s(n)}{partial n_{i}partial n_{k}}}
ight|_{n=n{*}}{
m {grad}},n_{k} ,}

Матрица кинетических коэффициентов L i j {displaystyle L_{ij}} должна быть симметричной (Теорема Онзагера) и положительно определенной (в случае роста энтропии).

Транспортное уравнение в таком случае может быть записано в следующем виде:

∂ n i ∂ t = − d i v J i = − ∑ j ≥ 0 L i j d i v X j = ∑ k ≥ 0 [ − ∑ j ≥ 0 L i j ∂ 2 s ( n ) ∂ n j ∂ n k | n = n ∗ ] Δ n k   . {displaystyle {frac {partial n_{i}}{partial t}}=-{
m {div}}mathbf {J} _{i}=-sum _{jgeq 0}L_{ij}{
m {div}}X_{j}=sum _{kgeq 0}left[-sum _{jgeq 0}L_{ij}left.{frac {partial {2}s(n)}{partial n_{j}partial n_{k}}}
ight|_{n=n{*}}
ight]Delta n_{k} .}

Здесь индексы i ,   j ,   k = 0 , 1 , 2… {displaystyle i,~j,~k=0,1,2…} относятся к внутренней энергии (0) и разным компонентам.

Выражение в квадратных скобках является матрицей D i k {displaystyle D_{ik}} диффузионных( i ,   k > 0 {displaystyle i,~k>0} ), термодиффузионных ( i > 0 {displaystyle i>0} , k = 0 ∨ k > 0 ,   i = 0 {displaystyle k=0lor k>0,~i=0} ) и температуропроводных ( i = k = 0 {displaystyle i=k=0} ) коэффициентов.

В изотермическом случае ( T = c o n s t {displaystyle T=const} ) и термодинамический потенциал выражается через свободную энергию (или свободную энтропию (англ.)).

Термодинамическая движущая сила для изотермичной диффузии определяется отрицательным градиентом химического потенциала − ( 1 / T ) ∇ μ j {displaystyle -(1/T)abla mu _{j}} , и матрица диффузионных коэффициентов выглядит следующим образом:

D i k = 1 T ∑ j ≥ 1 L i j ∂ μ j ( n , T ) ∂ n k | n = n ∗ {displaystyle D_{ik}={frac {1}{T}}sum _{jgeq 1}L_{ij}left.{frac {partial mu _{j}(n,T)}{partial n_{k}}}
ight|_{n=n{*}}}

( i ,   k > 0 {displaystyle i,~k>0} ).

Например, в оригинальной работе Онзагер[3] использовал дополнительный множитель ( T {displaystyle T} ), тогда как в курсе теоретической физики Ландау и Лифшица[4] этот множитель отсутствует и сила имеет противоположный знак.

Это различие можно учесть в формулах для вывода коэффициентов так, что они не повлияют на результаты измерения.

Недиагональная диффузия должна быть нелинейной[ | ]

Формализм линейной необратимой термодинамики (Онзагера) генерирует систему линейных уравнений диффузии в виде

∂ n i ∂ t = ∑ j D i j Δ c j . {displaystyle {frac {partial n_{i}}{partial t}}=sum _{j}D_{ij}Delta c_{j},.}

Если матрица коэффициентов диффузии диагональна, то эта система уравнений является лишь системой независимых уравнений Фика для различных компонент.

Предположим, что диффузия не является диагональной, например, D 12 ≠ 0 {displaystyle D_{12}eq 0} , и рассмотрим состояние, в котором c 2 = … = c n = 0 {displaystyle c_{2}=ldots =c_{n}=0} .

В этом состоянии ∂ n 2 / ∂ t = D 12 Δ n 1 {displaystyle partial n_{2}/partial t=D_{12}Delta n_{1}} . Если в некоторой точке D 12 Δ n 1 ( x )

Диффузия в твердых телах, жидкостях и газах: определение, условия

Среди многочисленных явлений в физике процесс диффузии относится к одним из самых простых и понятных. Ведь каждое утро, готовя себе ароматный чай или кофе, человек имеет возможность наблюдать эту реакцию на практике. Давайте узнаем больше об этом процессе и условиях его протекания в разных агрегатных состояниях.

Что такое диффузия

Данным словом именуется проникновение молекул или атомов одного вещества между аналогичными структурными единицами другого. При этом концентрация проникающего соединений выравнивается.

Впервые этот процесс был подробно описан немецким ученым Адольфом Фиком в 1855 г.

Название данного термина было образовано от латинского отглагольного существительного diffusio (взаимодействие, рассеивание, распространение).

Диффузия в жидкости

Рассматриваемый процесс может происходить с веществами во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Чтобы отыскать практические примеры этого, стоит просто заглянуть на кухню.

Варящийся на плите борщ – это один из них. Под действием температуры молекулы глюкозинбетанина (вещества, благодаря которому свекла обладает таким насыщенным алым цветом) равномерно реагируют с молекулами воды, придавая ей неповторимый бордовый оттенок. Данный случай — это пример диффузии в жидкостях.

Помимо борща, данный процесс можно увидеть и в стакане чая или кофе. Оба эти напитка имеют столь равномерный насыщенный оттенок благодаря тому, что заварка или частички кофе, растворяясь в воде, равномерно распространяются между ее молекулами, окрашивая ее. На этом же принципе построено действие всех популярных растворимых напитков девяностых: Yupi, Invite, Zuko.

Взаимопроникновение газов

Продолжая дальше искать проявления рассматриваемого процесса на кухне, стоит принюхаться и насладиться приятным ароматом, исходящим от букета свежих цветов на обеденном столе. Почему так происходит?

Атомы и молекулы, переносящие запах, находятся в активном движении и вследствие него перемешиваются с частицами, уже содержащимися в воздухе, и довольно равномерно рассеиваются в объеме помещения.

Это проявление диффузии в газах. Стоит отметить, что само вдыхание воздуха тоже относится к рассматриваемому процессу, как и аппетитный запах свежеприготовленного борща на кухне.

Сам процесс придания полотну какого-то равномерного оттенка проходит в несколько этапов следующим образом.

1. Частички желтого пигмента диффундировали в красильной емкости по направлению к волокнистому материалу.
2. Далее они были впитаны внешней поверхностью окрашиваемой ткани.
3. Следующим шагом была снова диффузия красителя, но на этот раз уже внутрь волокон полотна.
4. В финале ткань зафиксировала частички пигмента, таким образом окрасившись.

Диффундирование газов в металлах

Обычно, говоря об этом процессе, рассматривают взаимодействия веществ в одинаковых агрегатных состояниях. Например, диффузия в твердых телах, твердых веществах.

Для доказательства этого явления проводится опыт с двумя прижатыми друг к другу металлическими пластинами (золото и свинец). Взаимопроникновение их молекул происходит довольно долго (один миллиметр за пять лет).

Этот процесс используется для изготовления необычных украшений.

Однако диффундировать способны и соединения в разных агрегатных состояниях. К примеру, существует диффузия газов в твердых телах.

В процессе экспериментов было доказано, что подобный процесс протекает в атомарном состоянии. Для его активации, как правило, нужно значительно повышение температуры и давления.

Примером такой газовой диффузии в твердых телах является водородная коррозия. Она проявляется в ситуациях, когда возникшие в процессе какой-нибудь химической реакции атомы водорода (Н2) под действием высоких температур (от 200 до 650 градусов Цельсия) проникают между структурными частицами металла.

Помимо водорода, в твердых телах диффузия кислорода и других газов также способна происходить. Этот незаметный глазу процесс приносит немало вреда, ведь из-за него могут рушиться металлические сооружения.

Диффундирование жидкостей в металлах

Однако не только молекулы газов могут проникать в твердые тела, но и жидкостей. Как и в случае с водородом, чаще всего такой процесс приводит к коррозии (если речь идет о металлах).

Классическим примером диффузии жидкости в твердых телах является коррозия металлов под воздействием воды (Н2О) или растворов электролитов. Для большинства этот процесс более знаком под названием ржавления.

В отличие от водородной коррозии, на практике с ним приходится сталкиваться значительно чаще.

Условия ускорения диффузии. Коэффициент диффузии

Разобравшись с тем, в каких веществах может происходить рассматриваемый процесс, стоит узнать об условиях его протекания.

В первую очередь быстрота диффузии зависит от того, в каком агрегатном состоянии пребывают взаимодействующие вещества. Чем больше плотность материала, в котором происходит реакция, тем медленнее ее скорость.

В связи с этим диффузия в жидкостях и газах всегда будет проходить более активно, нежели в твердых телах.

К примеру, если кристаллы перманганата калия KMnO4 (марганцовка) бросить в воду, они в течение нескольких минут придадут ей красивый малиновый цвет. Однако если посыпать кристаллами KMnO4 кусочек льда и положить все это в морозилку, по прошествии нескольких часов перманганат калия так и не сможет полноценно окрасить замороженную Н2О.

Чтобы рассмотреть зависимость от нее рассматриваемого процесса, стоит узнать о таком понятии, как коэффициент диффузии. Так называется количественная характеристика ее скорости.

В большинстве формул она обозначается при помощи большой латинской литеры D и в системе СИ измеряется в квадратных метрах на секунду (м²/с), иногда — в сантиметрах за секунду (см2/м).

Коэффициент диффузии равен количеству вещества, рассеивающегося через единицу поверхности на протяжении единицы времени, при условии, что разность плотностей на обеих поверхностях (расположенных на расстоянии равном единице длины) равна единице. Критерии, определяющие D, – это свойства вещества, в котором происходит сам процесс рассеивания частиц, и их тип.

Зависимость коэффициента от температуры можно описать при помощи уравнения Аррениуса: D = D0exp(-E/TR).

В рассмотренной формуле Е – минимальная энергия, необходимая для активации процесса; Т – температура (измеряется по Кельвину, а не Цельсию); R – постоянная газовая, характерная для идеального газа.

Помимо всего вышеперечисленного, на скорость диффузии в твердых телах, жидкости в газах влияет давление и излучение (индукционное или высокочастотное). Кроме того, многое зависит от наличия катализирующего вещества, часто именно оно выступает в роли пускового механизма для начала активного рассеивания частиц.

Уравнение диффузии

Данное явление — частный вид уравнения дифференциального при частных производных.

Его цель — отыскать зависимость концентрации вещества от размеров и координат пространства (в котором оно диффундирует), а также времени. При этом заданный коэффициент характеризует проницаемость среды для реакции.

Чаще всего уравнение диффузии записывают следующим образом: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x [D(φ,r) ∇ φ (r, t)].

В нем φ (t и r) — плотность рассеивающегося вещества в точке r во время t. D (φ, r) — диффузии обобщенный коэффициент при плотности φ в точке r.

∇ — векторный дифференциальный оператор, компоненты которого по координатам относятся к частным производным.

Рассмотрев определение диффузии и особенности данного процесса в разных средах, можно отметить, что он имеет как положительные, так и отрицательные стороны.

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

> Наука > Физика > Диффузия: определение и примеры в окружающем мире

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!

Отзывы и комментарии

Диффузия — это что такое?

В школьной программе в курсе физики (приблизительно в седьмом классе) школьники узнают, что диффузия — это процесс, который представляет собой взаимное проникновение частиц одного вещества между частицами другого вещества, в результате чего происходит выравнивание концентраций во всем занимаемом объеме. Это достаточно сложное для понимания определение. Чтобы разобраться, что такое простая диффузия, закон диффузии, ее уравнение, необходимо подробно изучить материалы по этим вопросам. Однако если человеку достаточно общего представления, то приведенные ниже данные помогут получить элементарные знания.

Физическое явление — что это

В связи с тем, что многие люди путают или же вовсе не знают, что такое физическое явление и чем оно отличается от химического, а также к какому виду явлений относится диффузия, необходимо разобраться, что же такое физическое явление.

Итак, как всем известно, физика является самостоятельной наукой, относящейся к области естествознания, которая занимается изучением общих природных законов о структуре и движении материи, а также изучает саму материю. Соответственно, физическое явление — это такое явление, в результате которого не образуется новых веществ, а лишь происходит изменение строения вещества.

Отличие физического явления от химического заключается как раз в том, что в результате не получается новых веществ. Таким образом, диффузия — это физическое явление.

Как известно, формулировок того или иного понятия может быть много, однако общий смысл не должен изменяться. И явление диффузии не является исключением.

Обобщенное определение имеет следующий вид: диффузия — это физическое явление, которое представляет собой взаимное проникновение частиц (молекул, атомов) двух и более веществ до равномерного распределения по всему занимаемому этими веществами объему.

В результате диффузии не образуется новых веществ, поэтому она и является именно физическим явлением.

Диффузию можно зафиксировать как при наблюдении за газообразными и жидкими веществами, так и за твердыми. Поэтому она включает несколько видов:

• Квантовая диффузия — это процесс диффузии частиц или точечных дефектов (локальных нарушений кристаллической решетки вещества), который осуществляется в твердых телах. Локальные нарушения — это нарушение в определенной точке кристаллической решетки.

• Коллоидная — диффузия, происходящая во всем объеме коллоидной системы. Коллоидная система представляет собой среду, в которой распределены частицы, пузырьки, капли другой, отличающейся по агрегатному состоянию и составу от первой, среды. Такие системы, а также протекающие в них процессы, подробно изучаются в курсе коллоидной химии.
• Конвективная — перенос микрочастиц одного вещества макрочастицами среды. Особый раздел физики, называемый гидродинамикой, занимается изучением движения сплошных сред. Оттуда можно почерпнуть знания о состояниях потока.
• Турбулентная диффузия — это процесс переноса одного вещества в другом, обусловленный турбулентным движением второго вещества (характерна для газов и жидкостей).

Подтверждается высказывание, что диффузия может протекать как в газах и жидкостях, так и в твердых телах.

Что такое закон Фика?

Немецким ученым, физиком Фиком, был выведен закон, показывающий зависимость плотности потока частиц через единичную площадку от изменения концентрации вещества на единицу длины. Этот закон и является законом диффузии.

Закон можно сформулировать следующим образом: поток частиц, который направлен по оси, пропорционален производной от числа частиц по переменной, откладываемой вдоль той оси, относительно которой определяется направление потока частиц.

Иными словами, движущийся в направлении оси поток частиц пропорционален производной от числа частиц по переменной, которая откладывается вдоль той же оси, что и поток. Закон Фика позволяет описать процесс переноса вещества во времени и пространстве.

Когда в веществе присутствуют потоки, происходит перераспределение самого вещества в пространстве. В связи с этим существует несколько уравнений, которые описывают этот процесс перераспределения с макроскопической точки зрения.

Уравнение диффузии является дифференциальным. Оно вытекает из общего уравнения переноса вещества, которое также называют уравнением непрерывности. При наличии диффузии используется закон Фика, который описан выше.

Уравнение имеет следующий вид:

dn/dt=(d/dx)*(D*(dn/dx)+q.

Диффузионные методы

Метод диффузии, точнее метод ее осуществления в твердых материалах, широко используется в последнее время. Это связано с преимуществами метода, одним из которых является простота используемого оборудования и самого процесса.

Сущность метода диффузии из твердых источников заключается в нанесении легированных одним или несколькими элементами пленок на полупроводники.

Существует еще несколько методов осуществления диффузии, помимо метода твердых источников:

• в замкнутом объеме (ампульный способ). Минимальная токсичность является преимуществом метода, однако его дороговизна, обусловленная одноразовостью ампулы, является существенным недостатком;
• в незамкнутом объеме (термическая диффузия). Исключаются возможности использования многих элементов из-за высоких температур, а также боковая диффузия являются большими недостатками данного метода;
• в частично-замкнутом объеме (бокс-метод). Это промежуточный метод между двумя описанными выше.

Для того, чтобы больше узнать о методах и особенностях проведения диффузии, необходимо изучить дополнительную литературу, посвященную конкретно этим вопросам.

Диффузия. Полные уроки — Гипермаркет знаний

Гипермаркет знаний>>Физика и астрономия>>Физика 7 класс. Полные уроки>>Физика: Диффузия. Полные уроки

Тема. Диффузия

Цели урока:

• Обучающие: закрепить знания учеников по заданной теме, научить их понимать и описывать поведение молекул вещества в различных агрегатных состояниях, объяснить значение процесса диффузии в природе и жизни человека.

• Воспитательные: продолжить формирование у учащихся способности к научному мышлению.

• Образовательные: привить ученикам умение сопоставлять увиденные в природе явления с полученными знаниями о различных физических законах.

Основные термины:

Агрегатное состояние вещества – это состояние вещества, которое можно охарактеризовать набором определенных свойств (например, сохранение или неспособность к сохранению объема, формы и т.д.).

Диффузия — это процесс, заключающийся во взаимном проникновении молекул веществ в промежутки между молекулами в других веществах.

Молекула — микроскопическая частица вещества, образованная определенным количеством атомов и способная к самостоятельному и стабильному существованию.

Проверка домашнего задания.

Дайте короткий ответ на вопросы:

1. Из чего состоят вещества, окружающие нас?

2. Опишите состояние, в котором пребывают мельчайшие частицы в веществе?

3. Что такое броуновское движение?

4. Что влияет на его скорость?

Понятие агрегатного состояния вещества.

Мир, окружающий нас, сложен и изменчив. В то же время, мы способны заметить, что безграничное разнообразие мира – не такое уж и безграничное. Мы часто видим одни и те же вещества в различных состояниях.

Самый простой пример, на котором я смогу доказать правдивость своих слов – это вода. Ее проще всего увидеть в разных состояниях – это пар, или туман, это лед или снег, это жидкость, бегущая из-под крана в кухне. Какими бы ни были особенности воды в той или иной форме, она всегда остается водой – ее состав не меняется. Это все те же 2 молекулы водорода и 1 молекула кислорода.

Если и дальше использовать взятый нами пример, то мы можем проследить, что эти 3 состояния воды зависят от определенных внешних условий. Так, вода замерзает при 0 градусов, превращаясь в лед, и вода закипает при 100 градусах, превращаясь в пар. Вот эта фотография наглядно демонстрирует все 3 состояния воды: 

Рис. 1: 3 агрегатные состояния воды

Итак, какие же выводы мы можем сделать, хорошенько подумав о приведенном нами примере? Они будут такими:

Не только вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Это присуще всем веществам.

Иногда к трем вышеперечисленным агрегатным состояниям, добавляют еще и четвертое – плазму. О том, как выглядит плазма, вы пожжете получить представление из следующего рисунка: 

Рис. 2: плазменная лампа

но о плазме более подробно вы узнаете на уроках физики и химии в старших классах.

Процесс диффузии

Как все мы уже успели узнать, все вещества состоят из мельчайших частичек – ионов, атомов, молекул, которые пребывают в постоянном движении. Именно это движение и становится причиной, по которой возникает процесс диффузии.

Диффузия — это процесс, заключающийся во взаимном проникновении молекул веществ в промежутки между молекулами в других веществах.

Давайте более подробно рассмотрим диффузию в различных агрегатных состояниях.

Диффузия в газах

Давайте вместе приведем примеры процесса диффузии в газах. Варианты проявления этого явления могут быть таковыми:

• Распространение запаха цветов;

• Слезы из-за нарезания лука;

• Шлейф духов, который можно почувствовать в воздухе.

Промежутки между частицами в воздухе довольно большие, частицы двигаются хаотично, поэтому диффузия газообразных веществ происходит достаточно быстро.

Давайте посмотрим видео, демонстрирующее этот процесс:

Диффузия в жидкостях.

Частички веществ в жидкостях, а это чаще всего ионы веществ, взаимодействуют между собой достаточно сильно. В то же время, расстояние между ионами достаточно большое, что позволяет частичкам легко смешиваться. 

На следующей видео картинке видно, как проходит процесс диффузии в жидкостях. Частички краски, попадая на поверхность воды, легко диффундируют, то есть – проникают в воду.

Рис. 3: частички краски распространяются в воде.

Этот же процесс, но уже в динамике, вы можете наблюдать на видео на примере растворения кристаллов перманганата калия:

Диффузия в твердых телах.

Твердые тела могут иметь различное строение и состоять из молекул, атомов или ионов. В любом случае, вне зависимости от того, из каких микрочастиц состоит тело, взаимодействие этих частиц друг с другом очень сильно.

Не смотря на то, что они, эти частицы, все же движутся, но эти движения очень незначительны. Промежутки между частицами маленькие, поэтому другим веществам трудно проникнуть между ними.

Процесс диффузии в твердых телах проходит очень медленно и незаметно для невооруженного глаза. 

Давайте посмотрим видео об этом:  

Узнав об особенностях протекания процесса диффузии  в различных агрегатных состояниях, мы увидели, что процесс не одинаково быстр. От чего же зависит скорость диффузии? Один из ответов на этот вопрос у нас уже есть – скорость протекания процесса диффузии зависит от агрегатного состояния вещества.

Мы с вами также знаем, что частички веществ начинают двигаться быстрее с увеличением температуры. Значит ли это, что и процесс диффузии будет ускоряться при повышении температуры? Ответ очевиден. Для подтверждения давайте просмотрим видео:

Интенсивность диффундирования одного вещества в другое также зависит и от концентрации этих веществ, и от внешних воздействий (например, если просто капнуть раствор йода в воду и если его еще и перемешать, то скорость приобретения раствором однородного цвета будет разной).

Выводы

1. Агрегатное состояние вещества – это состояние вещества, которое можно охарактеризовать набором определенных свойств (например, сохранение или неспособность к сохранению объема, формы и т.д.) при определенных условиях. Не только вода может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Это присуще всем веществам.

2. Диффузия — это процесс, заключающийся во взаимном проникновении молекул веществ в промежутки между молекулами в других веществах.

3. Скорость диффузии зависит от: температуры, концентрации, внешних воздействий, агрегатного состояния вещества.

Интересно знать, что

Трудно переоценить процесс диффузии в жизни человека. Например, проникновение кислорода через тончайшую стенку альвеол в капилляры легких осуществляется именно благодаря диффузии.

Концентрация кислорода в атмосферном воздухе гораздо выше его концентрации и капиллярной крови, вот потому кислород и поникает сквозь полупроницаемую мембрану – туда, где его меньше. Благодаря диффузии мы дышим.

Также этот процесс частично обеспечивает проникновение питательных веществ из пищеварительной системы в кровь и действие многих лекарств.

На рисунке схематически показано, как всасываются питательные вещества в кишечнике человека.

Рис. 4: тонкий кишечник млекопитающего

Список литературы

• Урок на тему: «Диффузия», автор учитель физики Елена Викторовна Изотова, МОУ СОШ № 16, г..Электросталь, Московская обл.

• Урок на тему: «Диффузия в газах, жидкостях, твердых телах», автор Селезнева А. М., МОУ СОШ №7 г. Боярка, Киевской обл.

• Перышкин А. В. «Физика 7-й класс», Москва, Дрофа, 2006 г.

• Родина Н. А., Громов С. В., «Физика», М., Мир, 2002 г.

Отредактировано и выслано Борисенко И.Н.

Над уроком работали:

Изотова Е.В.

Селезнева А.М.

Борисенко И.Н.

Поставить вопрос о современном образовании, выразить идею или решить назревшую проблему Вы можете на Образовательном форуме, где на международном уровне собирается образовательный совет свежей мысли и действия.

Создав блог, Вы не только повысите свой статус, как компетентного преподавателя, а и сделаете весомый вклад в развитие школы будущего.

Гильдия Лидеров Образования открывает двери для специалистов  высшего ранга и приглашает к сотрудничеству в направлении создания лучших в мире школ.