Gazisova Guzel

"Schritte in die Wissenschaft - 2016"

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Städtische Haushaltsbildungseinrichtung

"Arsker Mittelschule Nr. 7" Arsky

Gemeindebezirk der Republik Tatarstan.

Republikanische wissenschaftliche und praktische Konferenz

"Schritte in die Wissenschaft - 2016"

Sektion: Physik und technische Kreativität

Forschung

Gegenstand: Beobachtung der Diffusion in Wasser und der Einfluss der Temperatur auf die Diffusionsgeschwindigkeit.

Position.

Gazizova Guzel Robertovna Zinnatullin Fidaris Faisalovich

Schüler der 7. Klasse, Physiklehrer, 1. Quartal. Kategorien.

2016

1. Einführungsseite 3

1. Forschungsproblem
2. Relevanz des Themas und praktische Bedeutung des Studiums
3. Gegenstand und Gegenstand der Forschung
4. Ziele und Ziele
5. Forschungshypothese

1. Hauptteil der Forschungsarbeit Seite 5

1. Beschreibung des Ortes und der Bedingungen der Beobachtungen und Experimente
2. Forschungsmethodik, ihre Gültigkeit
3. Hauptergebnisse des Experiments
4. Verallgemeinerung und Schlussfolgerungen

1. Fazit Seite 6
2. Referenzen Seite 7

Diffusion (lateinisch diffusio - Ausbreitung, Ausbreitung, Streuung, Wechselwirkung) ist der Prozess des gegenseitigen Eindringens von Molekülen oder Atomen einer Substanz zwischen Moleküle oder Atome einer anderen, was zu einem spontanen Ausgleich ihrer Konzentrationen im gesamten besetzten Volumen führt. In manchen Situationen hat einer der Stoffe bereits eine ausgeglichene Konzentration und man spricht von der Diffusion eines Stoffes in einen anderen. Dabei erfolgt der Transfer eines Stoffes von einem Bereich mit hoher Konzentration in einen Bereich mit niedriger Konzentration.

Gießt man vorsichtig Wasser in eine Kupfersulfatlösung, so entsteht eine klare Grenzfläche zwischen den beiden Schichten (Kupfersulfat ist schwerer als Wasser). Aber in zwei Tagen wird eine homogene Flüssigkeit im Gefäß sein. Das passiert völlig willkürlich.

Ein anderes Beispiel bezieht sich auf einen Festkörper: Wird ein Ende des Stabes erhitzt bzw. elektrisch aufgeladen, breitet sich Wärme (bzw. elektrischer Strom) vom heißen (geladenen) Teil zum kalten (ungeladenen) Teil aus. Im Falle eines Metallstabs entwickelt sich die thermische Diffusion schnell und der Strom fließt fast augenblicklich. Wenn der Stab aus synthetischem Material hergestellt ist, ist die thermische Diffusion langsam und die Diffusion von elektrisch geladenen Teilchen ist sehr langsam. Die Diffusion von Molekülen verläuft im Allgemeinen noch langsamer. Wenn zum Beispiel ein Stück Zucker auf den Boden eines Glases Wasser abgesenkt wird und das Wasser nicht gerührt wird, dauert es mehrere Wochen, bis die Lösung homogen ist. Noch langsamer ist die Diffusion von einem Feststoff in einen anderen. Wird beispielsweise Kupfer mit Gold überzogen, dann diffundiert Gold in Kupfer, aber unter normalen Bedingungen (Raumtemperatur und Atmosphärendruck) erreicht die goldhaltige Schicht erst nach mehreren tausend Jahren eine Dicke von mehreren Mikrometern.

Die erste quantitative Beschreibung von Diffusionsprozessen erfolgte 1855 durch den deutschen Physiologen A. Fick.

Diffusion findet in Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen statt, und sowohl Partikel von Fremdstoffen in ihnen als auch ihre eigenen Partikel können diffundieren.

Verbreitung im menschlichen Leben

Als ich das Phänomen der Diffusion untersuchte, kam ich zu dem Schluss, dass ein Mensch dank dieses Phänomens lebt. Schließlich besteht die Luft, die wir atmen, bekanntlich aus einem Gasgemisch: Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf. Es befindet sich in der Troposphäre - in der unteren Schicht der Atmosphäre. Wenn es keine Diffusionsprozesse gäbe, würde sich unsere Atmosphäre einfach unter der Wirkung der Schwerkraft schichten, die auf alle Körper wirkt, die sich auf der Erdoberfläche oder in ihrer Nähe befinden, einschließlich Luftmolekülen. Unten wäre eine schwerere Kohlendioxidschicht, darüber Sauerstoff, darüber Stickstoff und Inertgase. Aber für ein normales Leben brauchen wir Sauerstoff, kein Kohlendioxid. Diffusion findet auch im menschlichen Körper selbst statt. Die menschliche Atmung und Verdauung basiert auf Diffusion. Wenn wir über Atmung sprechen, dann befinden sich zu jedem Zeitpunkt in den Blutgefäßen, die die Alveolen umflechten, ungefähr 70 ml Blut, aus denen Kohlendioxid in die Alveolen diffundiert und Sauerstoff in die entgegengesetzte Richtung diffundiert. Die riesige Oberfläche der Alveolen ermöglicht es, die Dicke der Blutschicht, die Gase mit der intraalveolären Luft austauscht, auf 1 Mikron zu reduzieren, was es ermöglicht, diese Blutmenge mit Sauerstoff zu sättigen und sie in weniger als von überschüssigem Kohlendioxid zu befreien 1 Sekunde.

Dieses Phänomen wirkt sich auch auf den menschlichen Körper aus - Luftsauerstoff dringt durch Diffusion durch die Wände der Alveolen in die Blutkapillaren der Lunge ein und löst sich dann in ihnen auf, breitet sich im ganzen Körper aus und reichert ihn mit Sauerstoff an.

Die Diffusion wird in vielen technologischen Prozessen verwendet: Salzen, Zuckerherstellung (Zuckerrübenschnitzel werden mit Wasser gewaschen, Zuckermoleküle diffundieren aus den Schnitzeln in die Lösung), Marmeladenkochen, Stofffärben, Waschen, Aufkohlen, Schweißen und Löten von Metallen, einschließlich Diffusion Schweißen im Vakuum (Metalle werden geschweißt, die nicht mit anderen Methoden verbunden werden können - Stahl mit Gusseisen, Silber mit Edelstahl usw.) und Diffusionsmetallisierung von Produkten (Oberflächensättigung von Stahlprodukten mit Aluminium, Chrom, Silizium), Nitrieren - Sättigung der Stahloberfläche mit Stickstoff (Stahl wird hart, verschleißfest), Zementierung - Sättigung von Stahlprodukten mit Kohlenstoff, Cyanidierung - Sättigung der Stahloberfläche mit Kohlenstoff und Stickstoff.

Wie aus den obigen Beispielen ersichtlich ist, spielen Diffusionsprozesse eine sehr wichtige Rolle im Leben der Menschen.

Problem: Warum verläuft die Diffusion bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedlich?

Relevanz Ich sehe diese Studie darin, dass das Thema „Diffusion in flüssigen, festen und gasförmigen Zuständen“ nicht nur für das Studium der Physik von entscheidender Bedeutung ist. Das Wissen über Diffusion kann mir im Alltag nützlich sein. Diese Informationen helfen Ihnen bei der Vorbereitung auf die Physikprüfung für den Studiengang der Grund- und Hauptschule. Das Thema gefiel mir sehr gut und ich beschloss, es eingehender zu studieren.

Das Objekt meiner Forschungist die Diffusion, die in Wasser bei unterschiedlichen Temperaturen auftritt, undGegenstand der Studie– Beobachtungen durch Versuchsaufbau bei verschiedenen Temperaturen Modi.

Zielsetzung:

1. Erweitern Sie das Wissen über Diffusion und ihre Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren.
2. Erklären Sie die physikalische Natur des Diffusionsphänomens anhand der molekularen Struktur der Materie.
3. Finden Sie die Abhängigkeit der Diffusionsgeschwindigkeit von der Temperatur in mischbaren Flüssigkeiten heraus.
4. Bestätigen Sie theoretische Fakten mit experimentellen Ergebnissen.
5. Fassen Sie die gewonnenen Erkenntnisse zusammen und entwickeln Sie Empfehlungen.

Forschungsschwerpunkte:

1. Untersuchen Sie die Diffusionsgeschwindigkeit in Wasser bei verschiedenen Temperaturen.
2. Beweisen Sie, dass die Verdunstung einer Flüssigkeit das Ergebnis der Bewegung von Molekülen ist

Hypothese: Bei hohen Temperaturen bewegen sich die Moleküle schneller und vermischen sich dadurch schneller.

Der Hauptteil der Forschungsarbeit

Für meine Recherche habe ich zwei Gläser mitgenommen. Er goss warmes Wasser in das eine und kaltes Wasser in das andere. Gleichzeitig warf er eine Tüte Tee hinein. Warmes Wasser wird schneller braun als kaltes Wasser. Es ist bekannt, dass sich die Moleküle in warmem Wasser schneller bewegen, da ihre Geschwindigkeit von der Temperatur abhängt. Dies bedeutet, dass Teemoleküle schnell zwischen Wassermoleküle eindringen. In kaltem Wasser ist die Geschwindigkeit der Moleküle langsam, sodass das Phänomen der Diffusion hier langsamer abläuft. Das Phänomen des Eindringens von Molekülen eines Stoffes zwischen die Moleküle eines anderen wird als Diffusion bezeichnet.

Dann goss ich die gleiche Menge Wasser in zwei Gläser. Ich habe ein Glas auf dem Tisch im Zimmer stehen lassen und das andere in den Kühlschrank gestellt. Fünf Stunden später verglich ich die Wasserstände. Es stellte sich heraus, dass sich in einem Glas aus dem Kühlschrank der Füllstand praktisch nicht änderte. In der zweiten - das Niveau ist deutlich gesunken. Dies liegt an der Bewegung von Molekülen. Und sie ist umso größer, je höher die Temperatur ist. Bei höherer Geschwindigkeit „springen“ Wassermoleküle, die sich der Oberfläche nähern. Diese Bewegung von Molekülen wird als Verdunstung bezeichnet. Erfahrungsgemäß verläuft die Verdampfung bei höheren Temperaturen schneller, denn je schneller sich die Moleküle bewegen, desto mehr Moleküle fliegen gleichzeitig aus der Flüssigkeit heraus. In kaltem Wasser ist die Geschwindigkeit gering, sodass sie im Glas bleiben.

Fazit:

Aufgrund des Experiments und der Beobachtungen der Diffusion in Wasser bei verschiedenen Temperaturen war ich überzeugt, dass die Temperatur die Geschwindigkeit von Molekülen stark beeinflusst. Dies wurde durch die unterschiedlichen Grade der Verdunstung belegt. Je heißer also die Substanz ist, desto größer ist die Geschwindigkeit der Moleküle. Je kälter es ist, desto langsamer ist die Geschwindigkeit der Moleküle. Daher schreitet die Diffusion in Flüssigkeiten bei hoher Temperatur schneller voran.

Literatur:

1. A. V. Peryschkin. Physik Klasse 7. M.: Trappe, 2011.
2. Bibliothek "Erster September". M.: "Erster September", 2002.
3. Biophysik im Physikunterricht. Aus Berufserfahrung. M., "Aufklärung", 1984.

DIFFUSION(von lat. diffusio - ausbreiten, ausbreiten, streuen) - ein Ungleichgewichtsprozess, der durch molekulare Wärmebewegung verursacht wird und zur Einstellung einer Gleichgewichtsverteilung von Konzentrationen innerhalb der Phasen führt. Als Ergebnis von D. tritt eine chemische Ausrichtung auf. Potentiale der Mischungskomponenten. In einem Einphasensystem mit Gleichstrom. temp-re und das Fehlen von externen. D. Kräfte gleicht die Konzentration jeder Komponente der Phase über das Volumen des gesamten Systems aus. Wenn die Temperatur nicht konstant ist oder das System von außen beeinflusst wird. Kräfte, dann stellt sich infolge von D. eine räumlich ungleichmäßige Gleichgewichtsverteilung der Konzentrationen der einzelnen Komponenten ein (siehe Abb. Thermische Diffusion, Elektrodiffusion).

(2. Ficksches Gesetz). Matte. die theorie von ur-tion D. stimmt mit der theorie überein Wärmeleitungsgleichung.

Für eine Mischung aus Komponentendiffusionsfluss jeder Komponente j ich, nach der Thermodynamik irreversibler Prozesse, wird durch die Gradienten der Chemikalie bestimmt. Potenziale aller P Mischungsbestandteile:

wo Ähnliches- kinetisch Koeffizient Onsager, die einen Tensorcharakter und proportionale Koeffizienten haben. D. Bestandteile der Mischung (der Index bedeutet, dass D. ich-te Komponente relativ zu k Mai). Chemische Gradienten. Potentiale werden fest genommen. temp-re T. Ausdruck (4) ist ein Spezialfall von Onsagers linearen Beziehungen zwischen Thermodynamik. durch die Kräfte von D. und Diffusionsströmungen. Nach dem Onsager-Prinzip (vgl. Satz von Onsager), in Abwesenheit eines Magneten. Felder .

Unter den Gradienten von chem. nur Potenziale n- 1 unabhängig, sie können als Konzentrationsgradienten ausgedrückt werden Gibbs-Duhem-Gleichungen und stellen den Diffusionsfluss in der Form dar

wo Dik- Tensorkoeffizient. D. Seine diagonalen Elemente bestimmen die direkten Prozesse von D., während die nicht-diagonalen Elemente Kreuzdiffusionsprozesse bestimmen. Onsager-Beziehungen für Dik sind komplexer als für Ähnliches. Für ein binäres Gemisch der Koeffizient D 11 ist dem Koeffizienten zugeordnet. Onsager L 11 Verhältnis

Im Prozess von D. tritt eine Zunahme der Entropie auf, und Entropieproduktion pro Zeiteinheit ist:

Wenn die Mischung der Komponenten durch ext. Stärke Fk(z. B. Gravitation und Trägheit), dann ändert sich das Phänomen von D. erheblich. Wegen des Druckgefälles hängt von extern ab Kräfte Fk, dann die Thermodynamik Kräfte sind nicht nur chemische Gradienten. Potentiale, aber auch Zentrifugalkraft und Gravitationskraft, und es tritt Barodiffusion auf. Gleichzeitig die Thermodynamik Gleichgewicht entspricht einer stationären inhomogenen Konzentrationsverteilung. Der D.-Prozess neigt dazu, diese Verteilung herzustellen. Dieses Verfahren erlaubt die Bestimmung von Molekulargewichten aus Sedimentation in einem Zentrifugalfeld in einer Ultrazentrifuge.

Diffusion in Feststoffen. D. Prozess in Feststoffen kann mit Hilfe mehrerer durchgeführt werden. Mechanismen: Austausch von Plätzen von Atomen kristallin. Strukturen damit Stellenangebote, Bewegung von Atomen entlang von Zwischenräumen (vgl interstitielles Atom), gleichzeitige zyklische Bewegung mehrerer. Atome, der Platztausch zweier benachbarter Atome. Bei der Bildung von Substitutionsmischkristallen überwiegt der Austausch von Atompositionen und Leerstellen.

Coef. D. in Festkörpern ist sehr abhängig von Strukturfehlern und nimmt mit zunehmender Anzahl zu. D. in Festkörpern ist durch Exponential gekennzeichnet. Temperaturabhängigkeit mit einer Aktivierungsenergie größer als die von Flüssigkeiten. Coef. D. für Zink zu Kupfer steigt um das 10- bis 14-fache bei einer Temperaturerhöhung von 30 o C auf 300 o C.

mikroskopisch Die Theorie der atomaren Dislokation, basierend auf dem Sprungmechanismus über Leerstellen, wurde von Ya.I.Frenkel entwickelt. Substitution durch ein Kristallatom. Die Struktur der Leerstelle ist mit der Möglichkeit ihres Übergangs durch das Potenzial verbunden. Barriere. Es wird angenommen, dass ein Atom nach dem Übergang in eine Leerstelle aufgrund seiner starken Wechselwirkung mit Nachbaratomen Zeit hat, einen Teil der Energie abzugeben, bevor es an seinen ursprünglichen Platz zurückkehrt. Die Verweilzeit eines bestimmten Atoms an einer Stelle neben einer Leerstelle ist

wo ist die Zeit der Ordnung der Periode der kristallisierten Atome. Strukturen, die der akustischen Frequenz entsprechen. Spektrum (~10 -13 s). Dann der Koeffizient Selbstdiffusion wird die Form haben

wo - Aktivierungsenergie, a- Gitterkonstante, U ist die Energie der Leerstellenbildung. Für diff. Gitter W unterscheiden sich nicht sehr (zum Beispiel für Blei W 26 kcal/g*atom, für Kupfer W 60 kcal / g * Atom) und a und in f-le (12) können sich stark unterscheiden. Coef. D. in Feststoffen kann auch unter Verwendung der Eyring-Theorie der Reaktionsgeschwindigkeiten abgeschätzt werden, die ebenfalls zu Exponential führt. je nach Temperatur-ry mit der Aktivierungsenergie. Eine ähnliche Theorie wurde für D. in ungeordneten Substitutionslegierungen entwickelt, die es ermöglichte, den Einfluss interstitieller Atome auf die Selbstdiffusion des Metalls zu berücksichtigen, wenn D. nicht mehr durch einen einzigen Exponenten beschrieben wird, da an Orten mit Dekom. die Konfiguration der Atome muss überwunden werden diff. stark. Barrieren. In dem Fall, wenn D. einen Austausch mit offenen Stellen durchläuft oder gleichzeitig. Bewegung in einer geschlossenen Schleife und der Koeffizient. D. Komponente D1 und D2 anders, ergibt sich eine Materieströmung in Richtung Materie mit großem Partialkoeffizienten. D., proportional (Kirkendall-Effekt).

Das Phänomen des Neutronentransfers in Kondensatoren. Umgebung, begleitet von Mehrfachstreuung, beschreibt die Kinetik. Gleichung, die im Allgemeinen nicht auf die Gleichung von D. reduziert wird, jedoch ist die Diffusionsnäherung oft nützlich bei der Betrachtung Neutronendiffusion.

Bei sehr niedriger Temperatur in Kondensatoren. Umgebungen möglich Quantendiffusion Atome, die im Gegensatz zur klassischen durch die Quanten-Subbarriere-Tunnelbewegung von Atomen bestimmt wird. D., die durch die Obergrenzenübergänge von Atomen bestimmt wird. Kreaturen. Der Unterschied zwischen Quantum D. ist, dass der Koeffizient. Quant D. ist von Null verschieden, wenn die Temperatur gegen Null geht, sein Wert ist um viele. Bestellungen mehr als der Koeffizient. klassisch D. bei gleicher Temp.

Andere Arten von Diffusionen. Zu den Diffusionsprozessen gehören auch bestimmte Phänomene, die nicht mit der Übertragung von Partikeln zusammenhängen. In der Optik findet also Strahlung in einem inhomogenen Medium während mehrerer Prozesse der Emission und Absorption von Photonen statt, die als Schnitt bezeichnet werden. Strahlungsdiffusion allerdings unterscheidet sich dieses Phänomen deutlich von den D.-Partikeln, da die Bilanzgleichung für die Photonenflussdichte durch das Integral beschrieben wird. ur-tion, ein Schnitt wird nicht auf Differential reduziert. ur-tion D. In Spin-Systemen in magn. Feldnivellierungsprozess möglich vgl. magn. Moment im Raum unter dem Einfluss der Spin-Spin-Wechselwirkung - Spindiffusion.

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D. P. Zubarev.

Unter den zahlreichen Phänomenen in der Physik ist der Diffusionsprozess einer der einfachsten und verständlichsten. Schließlich hat eine Person jeden Morgen, wenn sie sich duftenden Tee oder Kaffee zubereitet, die Möglichkeit, diese Reaktion in der Praxis zu beobachten. Lassen Sie uns mehr über diesen Prozess und die Bedingungen für sein Auftreten in verschiedenen Aggregatzuständen erfahren.

Was ist Diffusion

Dieses Wort bezieht sich auf das Eindringen von Molekülen oder Atomen einer Substanz zwischen ähnliche Struktureinheiten einer anderen. In diesem Fall wird die Konzentration von eindringenden Verbindungen eingeebnet.

Dieser Prozess wurde erstmals 1855 von dem deutschen Wissenschaftler Adolf Fick detailliert beschrieben.

Der Name dieses Begriffs leitet sich vom lateinischen diffusio (Wechselwirkung, Streuung, Verteilung) ab.

Diffusion in Flüssigkeit

Der betrachtete Prozess kann bei Stoffen in allen drei Aggregatzuständen auftreten: gasförmig, flüssig und fest. Um praktische Beispiele dafür zu finden, schauen Sie einfach in die Küche.

Im Ofen gekochter Borschtsch ist einer davon. Unter dem Einfluss der Temperatur reagieren die Moleküle von Glucosin-Betanin (eine Substanz, aufgrund derer die Rüben eine so satte scharlachrote Farbe haben) gleichmäßig mit Wassermolekülen und verleihen ihr einen einzigartigen burgunderroten Farbton. Dieser Fall ist in Flüssigkeiten.

Neben Borschtsch lässt sich dieser Vorgang auch in einem Glas Tee oder Kaffee beobachten. Beide Getränke haben einen so gleichmäßigen, satten Farbton, weil sich Teeblätter oder Kaffeepartikel, die sich in Wasser auflösen, gleichmäßig zwischen ihren Molekülen verteilen und es färben. Die Wirkungsweise aller beliebten Instantgetränke der Neunziger ist nach dem gleichen Prinzip aufgebaut: Yupi, Invite, Zuko.

Durchdringung von Gasen

Geruchstragende Atome und Moleküle sind in aktiver Bewegung und werden daher mit bereits in der Luft befindlichen Partikeln vermischt und ziemlich gleichmäßig über das Raumvolumen verteilt.

Dies ist eine Manifestation der Diffusion in Gasen. Bemerkenswert ist, dass auch das Einatmen von Luft zum betrachteten Vorgang gehört, ebenso wie der appetitliche Geruch von frisch zubereitetem Borschtsch in der Küche.

Diffusion in Feststoffen

Der Küchentisch, auf dem die Blumen stehen, ist mit einer knallgelben Tischdecke bedeckt. Sie erhielt einen ähnlichen Farbton aufgrund der Fähigkeit der Diffusion, in Feststoffen stattzufinden.

Der Vorgang, der Leinwand einen gleichmäßigen Farbton zu verleihen, erfolgt in mehreren Schritten wie folgt.

1. Partikel von gelbem Pigment diffundierten in den Färbebehälter in Richtung des Fasermaterials.
2. Dann wurden sie von der äußeren Oberfläche des gefärbten Gewebes absorbiert.
3. Der nächste Schritt war wieder die Diffusion des Farbstoffs, diesmal jedoch in die Fasern der Leinwand.
4. Am Ende fixiert der Stoff die Pigmentpartikel und wird dadurch farbig.

Diffusion von Gasen in Metallen

Betrachten Sie normalerweise, wenn Sie über diesen Prozess sprechen, die Wechselwirkung von Substanzen in denselben Aggregatzuständen. Zum Beispiel Diffusion in Festkörpern, Festkörpern. Zum Nachweis dieses Phänomens wird ein Experiment mit zwei gegeneinander gepressten Metallplatten (Gold und Blei) durchgeführt. Die gegenseitige Durchdringung ihrer Moleküle dauert ziemlich lange (ein Millimeter in fünf Jahren). Dieser Prozess wird verwendet, um ungewöhnlichen Schmuck herzustellen.

Aber auch Verbindungen in unterschiedlichen Aggregatzuständen sind diffusionsfähig. Beispielsweise gibt es eine Diffusion von Gasen in Festkörpern.

Während der Experimente wurde bewiesen, dass ein ähnlicher Prozess im atomaren Zustand abläuft. Um es zu aktivieren, ist in der Regel eine erhebliche Temperatur- und Druckerhöhung erforderlich.

Ein Beispiel für eine solche Gasdiffusion in Feststoffen ist die Wasserstoffkorrosion. Es manifestiert sich in Situationen, in denen Wasserstoffatome (H 2), die im Laufe einer chemischen Reaktion unter dem Einfluss hoher Temperaturen (von 200 bis 650 Grad Celsius) entstanden sind, zwischen die Strukturpartikel des Metalls eindringen.

Neben Wasserstoff können auch Sauerstoff und andere Gase in Festkörpern diffundieren. Dieser für das Auge nicht wahrnehmbare Vorgang bringt viel Schaden, weil Metallstrukturen dadurch zusammenbrechen können.

Diffusion von Flüssigkeiten in Metallen

Aber nicht nur Gasmoleküle können in Festkörper eindringen, sondern auch Flüssigkeiten. Wie bei Wasserstoff führt dieser Prozess meistens zu Korrosion (wenn es sich um Metalle handelt).

Ein klassisches Beispiel für Flüssigkeitsdiffusion in Festkörpern ist die Korrosion von Metallen unter dem Einfluss von Wasser (H 2 O) oder Elektrolytlösungen. Den meisten ist dieser Vorgang eher unter dem Namen Rosten bekannt. Im Gegensatz zur Wasserstoffkorrosion ist sie in der Praxis deutlich häufiger anzutreffen.

Bedingungen für die Beschleunigung der Diffusion. Diffusionskoeffizient

Nachdem wir uns mit den Stoffen befasst haben, in denen der betrachtete Prozess auftreten kann, lohnt es sich, die Bedingungen für sein Auftreten kennenzulernen.

Zunächst hängt die Diffusionsgeschwindigkeit vom Aggregatzustand der interagierenden Substanzen ab. Je mehr eine Reaktion stattfindet, desto langsamer ist ihre Geschwindigkeit.

In dieser Hinsicht wird die Diffusion in Flüssigkeiten und Gasen immer aktiver sein als in Festkörpern.

Wenn zum Beispiel Kristalle von Kaliumpermanganat KMnO 4 (Kaliumpermanganat) in Wasser geworfen werden, verleihen sie ihm innerhalb weniger Minuten eine schöne purpurrote Farbe. Wenn Sie jedoch KMnO 4 -Kristalle auf ein Stück Eis streuen und alles in den Gefrierschrank stellen, wird Kaliumpermanganat nach einigen Stunden nicht in der Lage sein, das gefrorene H 2 O vollständig zu färben.

Aus dem vorigen Beispiel lässt sich noch eine weitere Schlussfolgerung über die Diffusionsbedingungen ziehen. Neben dem Aggregatzustand wird die Interpenetrationsrate der Partikel auch von der Temperatur beeinflusst.

Um die Abhängigkeit des betrachteten Prozesses davon zu berücksichtigen, lohnt es sich, ein Konzept wie den Diffusionskoeffizienten kennenzulernen. So heißt das quantitative Merkmal seiner Geschwindigkeit.

In den meisten Formeln wird es mit dem lateinischen Großbuchstaben D bezeichnet und im SI-System in Quadratmetern pro Sekunde (m² / s), manchmal in Zentimetern pro Sekunde (cm 2 / m) gemessen.

Der Diffusionskoeffizient ist gleich der Menge an Materie, die über eine Einheitsfläche über eine Zeiteinheit gestreut wird, vorausgesetzt, dass der Dichteunterschied auf beiden Oberflächen (in einem Abstand gleich einer Längeneinheit) gleich eins ist. Die Kriterien, die D bestimmen, sind die Eigenschaften der Substanz, in der der Teilchenstreuprozess selbst stattfindet, und deren Art.

Die Abhängigkeit des Koeffizienten von der Temperatur lässt sich mit der Arrhenius-Gleichung beschreiben: D = D 0exp (-E/TR).

In der betrachteten Formel ist E die minimale Energie, die erforderlich ist, um den Prozess zu aktivieren; T - Temperatur (gemessen in Kelvin, nicht Celsius); R ist die für ein ideales Gas charakteristische Gaskonstante.

Darüber hinaus wird die Diffusionsgeschwindigkeit in Feststoffen, Flüssigkeiten in Gasen durch Druck und Strahlung (induktiv oder hochfrequent) beeinflusst. Darüber hinaus hängt viel von der Anwesenheit einer katalytischen Substanz ab, die oft als Auslöser für den Beginn der aktiven Dispersion von Partikeln fungiert.

Diffusionsgleichung

Dieses Phänomen ist eine besondere Form einer Differentialgleichung mit partiellen Ableitungen.

Ihr Ziel ist es, die Abhängigkeit der Konzentration eines Stoffes von der Größe und den Koordinaten des Raumes (in den er diffundiert) sowie der Zeit zu finden. Der angegebene Koeffizient charakterisiert dabei die Durchlässigkeit des Mediums für die Reaktion.

Am häufigsten wird die Diffusionsgleichung wie folgt geschrieben: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .

Darin ist φ (t und r) die Dichte des Streumaterials am Punkt r zum Zeitpunkt t. D (φ, r) ist der verallgemeinerte Diffusionskoeffizient bei der Dichte φ am Punkt r.

∇ ist ein Vektordifferentialoperator, dessen Koordinatenkomponenten partielle Ableitungen sind.

Wenn der Diffusionskoeffizient dichteabhängig ist, ist die Gleichung nichtlinear. Wenn nicht - linear.

Nach Betrachtung der Definition von Diffusion und der Merkmale dieses Prozesses in verschiedenen Medien kann festgestellt werden, dass es sowohl positive als auch negative Seiten gibt.

Im Schullehrplan lernen die Schüler im Studiengang Physik (etwa in der siebten Klasse), dass Diffusion ein Prozess ist, der das gegenseitige Eindringen von Teilchen eines Stoffes in Teilchen eines anderen Stoffes ist, wodurch sich die Konzentrationen überall angleichen belegtes Volumen. Dies ist eine ziemlich schwierig zu verstehende Definition. Um zu verstehen, was einfache Diffusion ist, das Diffusionsgesetz, seine Gleichung, ist es notwendig, die Materialien zu diesen Themen im Detail zu studieren. Wenn jedoch eine allgemeine Idee für eine Person ausreicht, helfen die folgenden Daten, grundlegende Kenntnisse zu erlangen.

Physikalisches Phänomen - was ist das?

Aufgrund der Tatsache, dass viele Menschen verwirren oder überhaupt nicht wissen, was ein physikalisches Phänomen ist und wie es sich von einem chemischen unterscheidet, sowie zu welcher Art von Phänomen die Diffusion gehört, ist es notwendig zu verstehen, was ein physikalisches Phänomen ist. Die Physik ist also bekanntlich eine eigenständige Wissenschaft im Bereich der Naturwissenschaften, die sich mit den allgemeinen Naturgesetzen über den Aufbau und die Bewegung der Materie sowie mit der Materie selbst beschäftigt. Ein physikalisches Phänomen ist demnach ein solches Phänomen, bei dem keine neuen Stoffe gebildet werden, sondern nur eine Veränderung der Struktur des Stoffes eintritt. Der Unterschied zwischen einem physikalischen und einem chemischen Phänomen liegt gerade darin, dass dabei keine neuen Stoffe gewonnen werden. Diffusion ist also ein physikalisches Phänomen.

Definition des Begriffs Diffusion

Wie Sie wissen, kann es viele Formulierungen für einen Begriff geben, aber die allgemeine Bedeutung sollte sich nicht ändern. Und Diffusion ist keine Ausnahme. Die verallgemeinerte Definition lautet wie folgt: Diffusion ist ein physikalisches Phänomen, bei dem es sich um das gegenseitige Eindringen von Teilchen (Molekülen, Atomen) zweier oder mehrerer Stoffe zu einer gleichmäßigen Verteilung über das gesamte von diesen Stoffen eingenommene Volumen handelt. Durch Diffusion entstehen keine neuen Stoffe, es handelt sich also um ein rein physikalisches Phänomen. Einfache Diffusion wird als Diffusion bezeichnet, wodurch sich Partikel aus dem Bereich höchster Konzentration in den Bereich niedrigerer Konzentration bewegen, was auf thermische (chaotische, Brownsche) Bewegung von Partikeln zurückzuführen ist. Mit anderen Worten, Diffusion ist ein Prozess des Mischens von Partikeln verschiedener Substanzen, und die Partikel werden gleichmäßig über das Volumen verteilt. Dies ist eine sehr vereinfachte Definition, aber die verständlichste.

Arten der Verbreitung

Die Diffusion kann sowohl bei der Beobachtung gasförmiger und flüssiger als auch fester Substanzen festgelegt werden. Daher umfasst es mehrere Arten:

• Quantendiffusion ist der Vorgang der Diffusion von Teilchen oder Punktdefekten (lokale Störungen im Kristallgitter eines Stoffes), der in Festkörpern abläuft. Lokale Verletzungen sind Verletzungen an einem bestimmten Punkt im Kristallgitter.

• Kolloidal - Diffusion, die im gesamten Volumen des kolloidalen Systems auftritt. Ein kolloidales System ist ein Medium, in dem Teilchen, Blasen, Tropfen eines anderen Mediums, die sich in Aggregatzustand und Zusammensetzung vom ersten unterscheiden, verteilt sind. Solche Systeme sowie die darin ablaufenden Prozesse werden im Rahmen der Kolloidchemie eingehend untersucht.
• Konvektiv - die Übertragung von Mikropartikeln einer Substanz durch Makropartikel des Mediums. Ein Spezialgebiet der Physik, die Hydrodynamik, befasst sich mit der Untersuchung der Bewegung kontinuierlicher Medien. Von dort aus können Sie Kenntnisse über die Zustände der Strömung erhalten.
• Turbulente Diffusion ist der Prozess der Übertragung einer Substanz auf eine andere aufgrund der turbulenten Bewegung der zweiten Substanz (typisch für Gase und Flüssigkeiten).

Es bestätigt sich die Aussage, dass Diffusion sowohl in Gasen und Flüssigkeiten als auch in Festkörpern ablaufen kann.

Was ist das Ficksche Gesetz?

Der deutsche Physiker Fick leitete ein Gesetz ab, das die Abhängigkeit der Teilchenflussdichte durch einen einzelnen Bereich von einer Änderung der Konzentration eines Stoffes pro Längeneinheit zeigt. Dieses Gesetz ist das Gesetz der Diffusion. Das Gesetz kann wie folgt formuliert werden: Der Partikelstrom, der entlang der Achse gerichtet ist, ist proportional zur Ableitung der Anzahl der Partikel in Bezug auf die entlang der Achse aufgetragene Variable, relativ zu der die Richtung des Partikelstroms ist bestimmt. Mit anderen Worten, der Partikelstrom, der sich in Richtung der Achse bewegt, ist proportional zur Ableitung der Anzahl der Partikel in Bezug auf die Variable, die entlang derselben Achse wie der Fluss aufgetragen ist. Mit dem Fickschen Gesetz können Sie den Prozess der Übertragung von Materie in Zeit und Raum beschreiben.

Diffusionsgleichung

Wenn Strömungen in einem Stoff vorhanden sind, wird der Stoff selbst im Raum umverteilt. In diesem Zusammenhang gibt es mehrere Gleichungen, die diesen Umverteilungsprozess aus makroskopischer Sicht beschreiben. Die Diffusionsgleichung ist differentiell. Sie folgt aus der allgemeinen Stoffübergangsgleichung, die auch Kontinuitätsgleichung genannt wird. Bei Vorhandensein von Diffusion wird das oben beschriebene Ficksche Gesetz verwendet. Die Gleichung hat folgende Form:

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

Diffusionsmethoden

Das Diffusionsverfahren bzw. das Verfahren seiner Implementierung in feste Materialien hat in den letzten Jahren eine breite Anwendung gefunden. Dies liegt an den Vorteilen des Verfahrens, von denen einer die Einfachheit der verwendeten Ausrüstung und des Verfahrens selbst ist. Das Wesen des Diffusionsverfahrens aus festen Quellen ist die Abscheidung von Filmen, die mit einem oder mehreren Elementen auf Halbleitern dotiert sind. Neben der Solid-Source-Methode gibt es mehrere andere Methoden zur Implementierung der Diffusion:

• in einem geschlossenen Volumen (Ampullenmethode). Die minimale Toxizität ist ein Vorteil des Verfahrens, aber seine hohen Kosten aufgrund der Wegwerfbarkeit der Ampulle sind ein wesentlicher Nachteil;
• in einem offenen Volumen (thermische Diffusion). Die Möglichkeit der Verwendung vieler Elemente aufgrund hoher Temperaturen ist ausgeschlossen, sowie seitliche Diffusion sind große Nachteile dieses Verfahrens;
• in einem teilweise geschlossenen Volumen (Kastenmethode). Dies ist eine Zwischenmethode zwischen den beiden oben beschriebenen.

Um mehr über die Methoden und Merkmale der Diffusion zu erfahren, ist es notwendig, zusätzliche Literatur zu studieren, die sich speziell mit diesen Themen befasst.

Absolut alle Menschen haben von einem Konzept wie Diffusion gehört. Das war eines der Themen im Physikunterricht der 7. Klasse. Obwohl uns dieses Phänomen absolut überall umgibt, wissen nur wenige Menschen davon. Was bedeutet es überhaupt? Was ist Ihr physikalische Bedeutung Und wie kann man sich damit das Leben erleichtern? Heute werden wir darüber sprechen.

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Diffusion in der Physik: Definition

Dies ist der Prozess des Eindringens von Molekülen einer Substanz zwischen die Moleküle einer anderen Substanz. Vereinfacht kann man diesen Vorgang Mischen nennen. Während dessen Beim Mischen kommt es zum gegenseitigen Eindringen der Moleküle eines Stoffes ineinander. Bei der Kaffeezubereitung beispielsweise dringen Instantkaffeemoleküle in Wassermoleküle ein und umgekehrt.

Die Geschwindigkeit dieses physikalischen Vorgangs hängt von folgenden Faktoren ab:

1. Temperatur.
2. Aggregatzustand der Materie.
3. Äußerer Einfluss.

Je höher die Temperatur eines Stoffes ist, desto schneller bewegen sich die Moleküle. Somit, Mischvorgang tritt bei höheren Temperaturen schneller auf.

Aggregatzustand der Materie - der wichtigste Faktor. In jedem Aggregatzustand bewegen sich die Moleküle mit einer bestimmten Geschwindigkeit.

Diffusion kann in folgenden Aggregatzuständen ablaufen:

1. Flüssig.
2. Fest.

Höchstwahrscheinlich werden sich dem Leser nun folgende Fragen stellen:

1. Was sind die Ursachen der Diffusion?
2. Wo fließt es schneller?
3. Wie wird es im wirklichen Leben angewendet?

Die Antworten darauf finden Sie weiter unten.

Ursachen

Absolut alles auf dieser Welt hat seinen eigenen Grund. Und Diffusion ist keine Ausnahme. Physiker sind sich der Gründe für sein Auftreten wohl bewusst. Und wie kann man sie dem Durchschnittsmenschen vermitteln?

Sicherlich hat jeder schon einmal gehört, dass Moleküle in ständiger Bewegung sind. Außerdem ist diese Bewegung ungeordnet und chaotisch, und ihre Geschwindigkeit ist sehr hoch. Dank dieser Bewegung und der ständigen Kollision von Molekülen erfolgt ihre gegenseitige Durchdringung.

Gibt es Beweise für diese Bewegung? Sicherlich! Erinnern Sie sich, wie schnell Sie anfingen, Parfüm oder Deodorant zu riechen? Und der Geruch des Essens, das deine Mutter in der Küche kocht? Denken Sie daran, wie schnell Zubereitung von Tee oder Kaffee. All dies könnte nicht sein, wenn nicht die Bewegung von Molekülen. Wir schließen daraus, dass der Hauptgrund für die Diffusion die ständige Bewegung von Molekülen ist.

Jetzt bleibt nur noch eine Frage - was ist der Grund für diese Bewegung? Es wird vom Wunsch nach Gleichgewicht angetrieben. Das heißt, in der Substanz gibt es Bereiche mit hohen und niedrigen Konzentrationen dieser Partikel. Und aufgrund dieses Verlangens bewegen sie sich ständig von einem Bereich mit hoher Konzentration zu einem Bereich mit niedriger Konzentration. Sie sind ständig kollidieren miteinander, und es kommt zu einer gegenseitigen Durchdringung.

Diffusion in Gasen

Der Prozess des Mischens von Partikeln in Gasen ist der schnellste. Sie kann sowohl zwischen homogenen Gasen als auch zwischen Gasen mit unterschiedlichen Konzentrationen auftreten.

Anschauliche Beispiele aus dem Leben:

1. Sie riechen den Lufterfrischer durch Diffusion.
2. Du riechst das gekochte Essen. Beachten Sie, dass Sie es sofort spüren und den Geruch des Erfrischers nach ein paar Sekunden. Dies liegt daran, dass bei hohen Temperaturen die Bewegungsgeschwindigkeit von Molekülen größer ist.
3. Tränen, die beim Zwiebelschneiden entstehen. Zwiebelmoleküle vermischen sich mit Luftmolekülen und Ihre Augen reagieren darauf.

Wie erfolgt die Diffusion in Flüssigkeiten?

Die Diffusion in Flüssigkeiten verläuft langsamer. Sie kann von einigen Minuten bis zu mehreren Stunden dauern.

Die hellsten Beispiele aus dem Leben:

1. Zubereitung von Tee oder Kaffee.
2. Mischen von Wasser und Kaliumpermanganat.
3. Zubereitung einer Lösung aus Salz oder Soda.

In diesen Fällen verläuft die Diffusion sehr schnell (bis zu 10 Minuten). Wenn jedoch ein äußerer Einfluss auf den Prozess ausgeübt wird, z. B. das Rühren dieser Lösungen mit einem Löffel, geht der Prozess viel schneller und dauert nicht länger als eine Minute.

Die Diffusion beim Mischen dickerer Flüssigkeiten dauert viel länger. Beispielsweise kann das Mischen zweier flüssiger Metalle mehrere Stunden dauern. Natürlich können Sie dies in wenigen Minuten tun, aber in diesem Fall wird es sich herausstellen Legierung von schlechter Qualität.

Beispielsweise dauert die Diffusion beim Mischen von Mayonnaise und Sauerrahm sehr lange. Wenn Sie jedoch auf die Hilfe externer Einflüsse zurückgreifen, dauert dieser Vorgang nicht einmal eine Minute.

Diffusion in Festkörpern: Beispiele

In Festkörpern verläuft die gegenseitige Durchdringung von Partikeln sehr langsam. Dieser Prozess kann mehrere Jahre dauern. Ihre Dauer hängt von der Zusammensetzung der Substanz und der Struktur ihres Kristallgitters ab.

Experimente, die beweisen, dass Diffusion in Festkörpern existiert.

1. Verkleben von zwei Platten aus unterschiedlichen Metallen. Wenn Sie diese beiden Platten dicht nebeneinander und unter Druck halten, bildet sich innerhalb von fünf Jahren eine 1 Millimeter dicke Schicht dazwischen. Diese kleine Schicht enthält Moleküle beider Metalle. Diese beiden Platten werden zusammengeführt.
2. Auf einen dünnen Bleizylinder wird eine hauchdünne Goldschicht aufgetragen. Danach wird dieses Design für 10 Tage in einen Ofen gelegt. Die Lufttemperatur im Ofen beträgt 200 Grad Celsius. Nachdem dieser Zylinder in dünne Scheiben geschnitten wurde, war sehr deutlich zu sehen, dass das Blei in das Gold eindrang und umgekehrt.

Beispiele für die Verbreitung in der umgebenden Welt

Wie Sie bereits verstanden haben, ist die Mischgeschwindigkeit der Moleküle umso geringer, je härter das Medium ist. Lassen Sie uns nun darüber sprechen, wo Sie im wirklichen Leben praktischen Nutzen aus diesem physikalischen Phänomen ziehen können.

Der Prozess der Diffusion findet ständig in unserem Leben statt. Selbst wenn wir auf dem Bett liegen, verbleibt eine sehr dünne Schicht unserer Haut auf der Oberfläche des Lakens. Es absorbiert auch Schweiß. Aus diesem Grund wird das Bett schmutzig und muss gewechselt werden.

Die Manifestation dieses Prozesses im Alltag kann also wie folgt aussehen:

1. Wenn man Butter aufs Brot streicht, wird sie darin aufgenommen.
2. Beim Einlegen von Gurken diffundiert Salz zuerst mit Wasser, danach beginnt Salzwasser mit Gurken zu diffundieren. Als Ergebnis bekommen wir einen leckeren Snack. Banken müssen aufgerollt werden. Dies ist notwendig, damit das Wasser nicht verdunstet. Genauer gesagt sollten Wassermoleküle nicht mit Luftmolekülen diffundieren.
3. Beim Geschirrspülen dringen die Moleküle von Wasser und Spülmittel in die Moleküle der restlichen Lebensmittel ein. Dies hilft ihnen, sich vom Teller zu lösen und ihn sauberer zu machen.

Manifestation der Diffusion in der Natur:

1. Der Prozess der Befruchtung erfolgt genau aufgrund dieses physikalischen Phänomens. Die Moleküle der Eizelle und des Spermiums diffundieren, woraufhin der Embryo erscheint.
2. Bodendüngung. Durch den Einsatz bestimmter Chemikalien oder Kompost wird der Boden fruchtbarer. Warum passiert dies? Die Quintessenz ist, dass Düngemittelmoleküle mit Bodenmolekülen diffundieren. Danach findet der Diffusionsprozess zwischen den Molekülen des Bodens und der Wurzel der Pflanze statt. Dadurch wird die Saison fruchtbarer.
3. Durch das Mischen von Industrieabfällen mit Luft wird diese stark verschmutzt. Aus diesem Grund wird die Luft in einem Umkreis von einem Kilometer sehr schmutzig. Seine Moleküle diffundieren mit sauberen Luftmolekülen aus benachbarten Bereichen. So verschlechtert sich die ökologische Situation in der Stadt.

Die Manifestation dieses Prozesses in der Industrie:

1. Die Silizierung ist ein Prozess der Diffusionssättigung mit Silizium. Es wird in einer gasförmigen Atmosphäre durchgeführt. Die siliziumgesättigte Schicht des Teils hat keine sehr hohe Härte, aber eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine erhöhte Verschleißfestigkeit in Meerwasser, Salpeter-, Salz- und Schwefelsäure.
2. Die Diffusion in Metallen spielt bei der Herstellung von Legierungen eine wichtige Rolle. Um eine hochwertige Legierung zu erhalten, ist es notwendig, Legierungen bei hohen Temperaturen und unter äußerer Einwirkung herzustellen. Dadurch wird der Diffusionsprozess erheblich beschleunigt.

Diese Prozesse finden in verschiedenen Branchen statt:

1. Elektronisch.
2. Halbleiter.
3. Maschinenbau.

Wie Sie verstehen, kann der Diffusionsprozess sowohl positive als auch negative Auswirkungen auf unser Leben haben. Sie müssen in der Lage sein, Ihr Leben zu managen und die Vorteile dieses physikalischen Phänomens zu maximieren sowie den Schaden zu minimieren.

Jetzt wissen Sie, was die Essenz eines solchen physikalischen Phänomens wie Diffusion ist. Es besteht in der gegenseitigen Durchdringung von Partikeln aufgrund ihrer Bewegung. Alles im Leben bewegt sich. Wenn Sie Student sind, erhalten Sie nach dem Lesen unseres Artikels auf jeden Fall die Note 5. Viel Glück für Sie!