Difuzija u krutinama, tekućinama i plinovima: definicija, uvjeti

Među mnogim fenomenima u fizici, difuzija je jedan od najjednostavnijih i najobuhvatnijih. Nakon svakog jutra, pripremajući se mirisnim čajem ili kavom, osoba ima priliku promatrati tu reakciju u praksi. Naučimo više o ovom procesu i njezinim uvjetima u različitim državama.

Što je difuzija?

Ova se riječ odnosi na penetraciju molekula ili atoma jedne tvari između sličnih strukturnih jedinica drugog. Izmjereno je koncentracija penetrirajućih spojeva.

Taj je proces najprije detaljno opisao njemački znanstvenik Adolf Fick 1855. godine.

Ime ovog pojma je izvedena iz latinske glagolska imenica diffusio (interakcija, disperzija, distribucije).

Difuzija u tekućini

Proces u pitanju može odvijati uz tvari u sva tri agregatna stanja: plin, tekućina i krutina. Da biste pronašli praktične primjere, samo je pogled na kuhinju.

Borshch na štednjaku je jedan od njih. Pod utjecajem temperature molekule glukozina betanina (supstanca zbog kojega repa ima takvu zasićenu tamnocrnu boju), reagira ravnomjerno s molekulama vode, dajući mu jedinstveni tamnozelenu nijansu. Ovaj slučaj je primjer difuzije u tekućinama.

Uz borsku, taj se proces može vidjeti u čaši čaja ili kave. Oba ova pića su tako ravnomjerno zasićena sjena zbog činjenice da zavarivanje ili čestice kave, otapanje u vodi, ravnomjerno rasprostranjena između svojih molekula, bojenje. Na istom je principu podignuta akcija svih popularnih instant napitaka devedesetih godina: Yupi, Invite, Zuko.

Interakcija plinova

Nastavljajući tražiti daljnje manifestacije procesa u kuhinji, vrijedi njuškati i uživati ​​u ugodnom mirisu koji dolazi iz buketa svježeg cvijeća na blagovaonici. Zašto se to događa?

Atomi i molekule koje nose miris su u aktivnom kretanju i kao rezultat su pomiješani s česticama koje su već sadržane u zraku i ravnomjerno se raspršuju u volumenu prostorije.

Ovo je očitovanje difuzije u plinovima. Važno je napomenuti da se i sam udisanje zraka odnosi na taj proces, kao i na ukusan miris svježe pripremljenog boršca u kuhinji.

Difuzija u krutinama

Stol za kuhinju na kojemu su cvjetovi položen je stolnjakom svijetlo žute boje. Ova sjena je dobivena zbog difuzijske sposobnosti da prođe kroz krute tvari.

Sam proces davanja platnu neka jedinstvena sjena prolazi u nekoliko faza kako slijedi.

1. Čestice žutog pigmenta raspršuju u spremniku za bojenje prema vlaknastom materijalu.
2. Dalje ih je apsorbirana vanjskom površinom obojenog tkiva.
3. Sljedeći korak bio je ponovno difuzija boje, ali ovaj put već unutar vlakana platna.
4. U konačnici, tkivo je fiksiralo čestice pigmenta i tako bojilo.

Difuzija plinova u metalima

Obično, kada se govori o ovom procesu, uzimamo u obzir interakcije tvari u istim skupnim stanjima. Na primjer, difuziju u krutinama, krute tvari. Da bi se dokazala ova pojava, provodi se eksperiment s dvije metalne ploče prešane zajedno (zlato i olovo). Interakcija njihovih molekula traje dosta dugo (jedan milimetar u pet godina). Taj se postupak koristi za stvaranje neobičnih ukrasa.

Međutim, spojevi mogu također difundirati u različitim agregatnim stanjima. Na primjer, dolazi do rasprostiranja plinova u krutinama.

Tijekom pokusa dokazano je da takav proces nastavlja u atomskoj situaciji. Da biste ga aktivirali, u pravilu trebate značajno povećanje temperature i tlaka.

Primjer takve difuzije plina u krutinama je korozija vodika. Ona se manifestira u situacijama u kojima atomi vodika nastaju tijekom kemijske reakcije (H₂) pod utjecajem visokih temperatura (od 200 do 650 stupnjeva Celzijusa) prodiru između strukturnih čestica metala.

Pored vodika, difuzija kisika i drugih plinova također se mogu pojaviti u krutinama. Ovaj neprimjetan proces donosi puno štete, zbog toga može srušiti metalne strukture.

Difuzija tekućina u metalima

Međutim, ne samo da molekule plinova mogu prodrijeti u krute tvari, već i tekućine. Kao u slučaju vodika, najčešće taj proces dovodi do korozije (kada je riječ o metalima). Klasični primjer difuzije tekućina u krutinama je korozija metala pod djelovanjem vode (H₂O) ili otopine elektrolita. Za većinu je taj proces poznat pod nazivom hrđe. Za razliku od korozije vodika, u praksi je potrebno da se s njim često sudaraju.

Uvjeti za ubrzavanje difuzije. Koeficijent difuzije

Nakon što se bavila tvarima u kojima se proces koji se razmatra može se dogoditi, vrijedno je upoznati s uvjetima njegovog protoka.

Prije svega, brzina difuzije ovisi o stanju agregatnog stanja interaktivnih tvari. Što više gustoća materijala, u kojem se reakcija događa, sporije je njegova brzina.

S tim u vezi, difuzija u tekućinama i plinovima uvijek će proći aktivnije nego u krutinama.

Na primjer, ako su kristali KMnO kalij permanganata_{4 (}kalijevog permanganata₎ bacati u vodu, oni će joj dati lijepu grimiznu boju u roku od nekoliko minuta. Međutim, ako je posipano KMnO kristalima₄ komadić leda i stavi ga sve u zamrzivač, nakon nekoliko sati, kalij permanganat ne može u potpunosti obojiti zamrznutu H₂O.

Iz prethodnog primjera možemo izvući još jedan zaključak o uvjetima difuzije. Uz agregatno stanje, brzina međusobnog prolaska čestica također utječe na temperaturu.

Da bi razmotrili ovisnost o procesu koji se razmatra, vrijedno je upoznati s takvim konceptom kao koeficijent difuzije. Ovo je naziv kvantitativne karakteristike njegove brzine.

U većini formula označava se veliko latino slovo D i u SI sustavu se mjeri u četvornom metru u sekundi (m² / s), ponekad u centimetrama u sekundi (cm²/ m).

Koeficijent difuzije jednak je količini tvari raspršenom kroz jedinicu površine u vremenskoj jedinici, pod uvjetom da je razlika gustoće na obje površine (koja se nalazi na udaljenosti jednakoj duljini jedinice) jednaka jedinstvu. Kriteriji koji određuju D su svojstva tvari u kojoj se pojavljuje proces raspršivanja čestica i njihov tip.

Ovisnost koeficijenta na temperaturu može se opisati pomoću Arrhenius jednadžbe: D = D_0exp(-E / TR).

U razmatranoj formuli E je minimalna energija potrebna za aktiviranje procesa - T je temperatura (izmjerena Kelvinom, a ne Celzijusom) -R je konstanta plina karakteristika idealnog plina.

Uz sve gore navedeno, brzina difuzije u krutinama, tekućine u plinovima utječu pritisak i zračenje (indukcija ili visoka frekvencija). Osim toga, puno ovisi o prisutnosti katalitičkog sredstva, često djeluje kao pokretački mehanizam za pokretanje aktivne disperzije čestica.

Difuzijska jednadžba

Ovaj fenomen je poseban oblik diferencijalne jednadžbe za djelomične derivate.

Njegov cilj - pronaći ovisnost koncentracije tvari i veličini koordinata prostora (u kojem je difundira) i vremena. Navedeni koeficijent karakterizira propusnost medija za reakciju.

Najčešće je difuzijska jednadžba napisana na sljedeći način: dio-phi (r, t) / dio-t = nabla-x [D (phi, r) nabla- phi (r, t)].

U njemu phi- (t i r) je gustoća raspršene tvari u točki r u vremenu t. D (phi, r) -difuzija je generalizirani koeficijent pri gustoći phi na mjestu r.

nabla- je vektor diferencijalni operater čije se komponente odnose na parcijalne derivate s obzirom na koordinate.

Kad je difuzijski koeficijent ovisan o gustoći, jednadžba je nelinearna. Kada nije - linearno.

Razmatrajući definiciju difuzije i svojstva ovog procesa u različitim medijima, može se primijetiti da ona ima i pozitivne i negativne strane.