Gazizova Guzel

"Langkah Menuju Sains - 2016"

Unduh:

Pratinjau:

Institusi pendidikan anggaran kota

"Sekolah Menengah Arsk No. 7" Arsky

Distrik kotamadya Republik Tatarstan.

Konferensi ilmiah dan praktis Republik

"Langkah Menuju Sains - 2016"

Bagian: Fisika dan kreativitas teknis

Riset

Subjek: Pengamatan difusi dalam air dan pengaruh suhu terhadap laju difusi.

Posisi.

Gazizova Guzel Robertovna Zinnatullin Fidaris Faisalovich

siswa kelas 7, guru fisika, kuartal 1. kategori.

2016

1. Halaman Pendahuluan 3

1. Permasalahan penelitian
2. Relevansi topik dan signifikansi praktis dari penelitian
3. Obyek dan subyek penelitian
4. Tujuan dan sasaran
5. Hipotesis penelitian

1. Bagian utama dari pekerjaan penelitian Halaman 5

1. Deskripsi tempat dan kondisi pengamatan dan percobaan
2. Metodologi penelitian, validitasnya
3. Hasil utama percobaan
4. Generalisasi dan kesimpulan

1. Kesimpulan Halaman 6
2. Referensi Halaman 7

Difusi (Latin difusio - menyebarkan, menyebarkan, menyebarkan, interaksi) adalah proses saling penetrasi molekul atau atom dari satu zat antara molekul atau atom lain, yang mengarah ke pemerataan spontan konsentrasi mereka di seluruh volume yang ditempati. Dalam beberapa situasi, salah satu zat sudah memiliki konsentrasi yang sama dan seseorang berbicara tentang difusi satu zat ke zat lain. Dalam hal ini, perpindahan suatu zat terjadi dari daerah dengan konsentrasi tinggi ke daerah dengan konsentrasi rendah.

Jika air dituangkan dengan hati-hati ke dalam larutan tembaga sulfat, maka antarmuka yang jelas terbentuk di antara kedua lapisan (tembaga sulfat lebih berat daripada air). Tetapi dalam dua hari akan ada cairan homogen di dalam bejana. Ini terjadi sepenuhnya secara acak.

Contoh lain terkait dengan benda padat: jika salah satu ujung batang dipanaskan, atau bermuatan listrik, panas (atau, masing-masing, arus listrik) menyebar dari bagian panas (bermuatan) ke bagian dingin (tidak bermuatan). Dalam kasus batang logam, difusi termal berkembang pesat, dan arus mengalir hampir seketika. Jika batang terbuat dari bahan sintetis, difusi termal lambat, dan difusi partikel bermuatan listrik sangat lambat. Difusi molekul berlangsung secara umum bahkan lebih lambat. Misalnya, jika sepotong gula diturunkan ke dasar segelas air dan airnya tidak diaduk, diperlukan waktu beberapa minggu sebelum larutan menjadi homogen. Bahkan lebih lambat adalah difusi dari satu padat ke yang lain. Misalnya, jika tembaga ditutupi dengan emas, maka emas akan berdifusi menjadi tembaga, tetapi dalam kondisi normal (suhu kamar dan tekanan atmosfer), lapisan bantalan emas akan mencapai ketebalan beberapa mikrometer hanya setelah beberapa ribu tahun.

Deskripsi kuantitatif pertama dari proses difusi diberikan oleh ahli fisiologi Jerman A. Fick pada tahun 1855.

Difusi terjadi dalam gas, cairan dan padatan, dan kedua partikel zat asing di dalamnya dan partikelnya sendiri dapat berdifusi.

Difusi dalam kehidupan manusia

Mempelajari fenomena difusi, saya sampai pada kesimpulan bahwa berkat fenomena inilah seseorang hidup. Bagaimanapun, seperti yang Anda ketahui, udara yang kita hirup terdiri dari campuran gas: nitrogen, oksigen, karbon dioksida, dan uap air. Itu terletak di troposfer - di lapisan bawah atmosfer. Jika tidak ada proses difusi, maka atmosfer kita hanya akan terstratifikasi di bawah aksi gravitasi, yang bekerja pada semua benda yang terletak di permukaan Bumi atau di dekatnya, termasuk molekul udara. Di bagian bawah akan ada lapisan karbon dioksida yang lebih berat, di atasnya - oksigen, di atas - nitrogen dan gas inert. Tetapi untuk kehidupan normal, kita membutuhkan oksigen, bukan karbon dioksida. Difusi juga terjadi di dalam tubuh manusia itu sendiri. Respirasi dan pencernaan manusia didasarkan pada difusi. Jika kita berbicara tentang respirasi, maka pada setiap saat di dalam pembuluh darah yang mengepang alveoli ada sekitar 70 ml darah, dari mana karbon dioksida berdifusi ke dalam alveoli, dan oksigen berdifusi ke arah yang berlawanan. Permukaan besar alveoli memungkinkan untuk mengurangi ketebalan lapisan pertukaran gas darah dengan udara intraalveolar menjadi 1 mikron, yang memungkinkan untuk menjenuhkan jumlah darah ini dengan oksigen dan membebaskannya dari kelebihan karbon dioksida dalam waktu kurang dari 1 detik.

Fenomena ini juga mempengaruhi tubuh manusia - oksigen udara menembus ke dalam kapiler darah paru-paru dengan difusi melalui dinding alveoli, dan kemudian larut di dalamnya, menyebar ke seluruh tubuh, memperkayanya dengan oksigen.

Difusi digunakan dalam banyak proses teknologi: penggaraman, produksi gula (serutan bit gula dicuci dengan air, molekul gula berdifusi dari serutan ke dalam larutan), memasak selai, pewarnaan kain, binatu, karburasi, pengelasan dan penyolderan logam, termasuk difusi pengelasan dalam ruang hampa (logam dilas yang tidak dapat digabungkan dengan metode lain - baja dengan besi tuang, perak dengan baja tahan karat, dll.) dan metalisasi difusi produk (kejenuhan permukaan produk baja dengan aluminium, kromium, silikon), nitridasi - saturasi permukaan baja dengan nitrogen (baja menjadi keras, tahan aus), karburasi - saturasi produk baja dengan karbon, sianidasi - saturasi permukaan baja dengan karbon dan nitrogen.

Seperti dapat dilihat dari contoh di atas, proses difusi memainkan peran yang sangat penting dalam kehidupan masyarakat.

Masalah: Mengapa difusi berlangsung secara berbeda pada suhu yang berbeda?

Relevansi Saya melihat penelitian ini dalam kenyataan bahwa topik "Difusi dalam keadaan cair, padat dan gas" sangat penting tidak hanya untuk mata kuliah fisika. Pengetahuan tentang difusi dapat bermanfaat bagi saya dalam kehidupan sehari-hari. Informasi ini akan membantu Anda mempersiapkan diri untuk ujian fisika untuk kursus sekolah dasar dan menengah. Saya sangat menyukai topiknya, dan saya memutuskan untuk mempelajarinya lebih dalam.

Objek penelitian sayaadalah difusi yang terjadi dalam air pada suhu yang berbeda, danmata pelajaran– pengamatan dengan menyiapkan eksperimen di berbagai suhu mode.

Objektif:

1. Memperluas pengetahuan tentang difusi, ketergantungannya pada berbagai faktor.
2. Jelaskan sifat fisik dari fenomena difusi berdasarkan struktur molekul materi.
3. Cari tahu ketergantungan laju difusi pada suhu dalam cairan yang dapat bercampur.
4. Konfirmasikan fakta teoretis dengan hasil eksperimen.
5. Meringkas pengetahuan yang diperoleh dan mengembangkan rekomendasi.

Tujuan penelitian:

1. Selidiki laju difusi dalam air pada suhu yang berbeda.
2. Buktikan bahwa penguapan cairan adalah hasil dari pergerakan molekul

Hipotesa: Pada suhu tinggi, molekul bergerak lebih cepat dan karena itu, mereka bercampur lebih cepat.

Bagian utama dari pekerjaan penelitian

Untuk penelitian saya, saya mengambil dua gelas. Dia menuangkan air hangat ke satu dan air dingin ke yang lain. Pada saat yang sama, dia menjatuhkan sekantong teh ke dalamnya. Air hangat berubah warna menjadi coklat lebih cepat daripada air dingin. Diketahui bahwa dalam air hangat molekul-molekul bergerak lebih cepat, karena kecepatannya bergantung pada suhu. Artinya molekul teh akan cepat menembus antar molekul air. Dalam air dingin, kecepatan molekul lambat, sehingga fenomena difusi di sini berlangsung lebih lambat. Fenomena penetrasi molekul satu zat antara molekul lain disebut difusi.

Kemudian saya menuangkan air dalam jumlah yang sama ke dalam dua gelas. Saya meninggalkan satu gelas di atas meja di kamar, dan meletakkan yang lain di lemari es. Lima jam kemudian saya membandingkan ketinggian air. Ternyata dalam gelas dari lemari es, levelnya praktis tidak berubah. Di detik - levelnya menurun tajam. Ini karena pergerakan molekul. Dan itu lebih besar, semakin tinggi suhunya. Pada kecepatan yang lebih tinggi, molekul air, mendekati permukaan, "melompat keluar". Pergerakan molekul ini disebut evaporasi. Pengalaman telah menunjukkan bahwa penguapan berlangsung lebih cepat pada suhu yang lebih tinggi, karena semakin cepat molekul bergerak, semakin banyak molekul terbang menjauh dari cairan pada saat yang sama. Dalam air dingin, kecepatannya rendah, sehingga mereka tetap berada di dalam gelas.

Kesimpulan:

Berdasarkan percobaan dan pengamatan difusi dalam air pada suhu yang berbeda, saya yakin bahwa suhu sangat mempengaruhi kecepatan molekul. Hal ini dibuktikan dengan derajat penguapan yang bervariasi. Jadi, semakin panas zat, semakin besar kecepatan molekul. Semakin dingin, semakin lambat kecepatan molekul. Oleh karena itu, difusi dalam cairan akan berlangsung lebih cepat pada suhu tinggi.

Literatur:

1. A.V. Peryshkin. Fisika kelas 7. M.: Bustard, 2011.
2. Perpustakaan "Pertama September". M.: "Pertama September", 2002.
3. Biofisika pada pelajaran fisika. Dari pengalaman kerja. M., "Pencerahan", 1984.

DIFUSI(dari bahasa Latin difusio - penyebaran, penyebaran, hamburan) - proses non-kesetimbangan yang disebabkan oleh gerakan termal molekul dan mengarah pada pembentukan distribusi keseimbangan konsentrasi dalam fase. Sebagai akibat dari D., terjadi keselarasan kimiawi. potensial dari komponen campuran. Pada sistem satu fasa dengan DC. temp-re dan tidak adanya eksternal. D. gaya menyamakan konsentrasi setiap komponen fase di seluruh volume seluruh sistem. Jika suhu-pa tidak konstan atau sistem dipengaruhi oleh eksternal. gaya, maka sebagai akibat dari D., distribusi keseimbangan spasial yang tidak seragam dari konsentrasi masing-masing komponen ditetapkan (lihat Gambar. Difusi termal, Elektrodifusi).

(hukum Fick ke-2). Tikar. teori ur-tion D. bertepatan dengan teori persamaan konduksi panas.

Untuk campuran fluks difusi komponen masing-masing komponen Ji, menurut termodinamika proses ireversibel, ditentukan oleh gradien kimia. potensi semua P komponen campuran:

di mana suka- kinetik koefisien Onsager, yang memiliki karakter tensor dan koefisien proporsional. D. komponen campuran (indeks berarti bahwa D. saya-th komponen relatif terhadap k th). Gradien kimia. potensi diambil di tetap. temp-re T. Ekspresi (4) adalah kasus khusus dari hubungan linier Onsager antara termodinamika. oleh pasukan D. dan aliran difusi. Menurut prinsip Onsager (lih. teorema Onsager), tanpa adanya magnet. bidang.

Di antara gradien kimia. potensi saja n- 1 independen, mereka dapat dinyatakan dalam gradien konsentrasi menggunakan Persamaan Gibbs - Duhem dan mewakili fluks difusi dalam bentuk

di mana dik- koefisien tensor. D. Elemen diagonalnya menentukan proses langsung D., sedangkan elemen off-diagonal menentukan proses difusi silang. Hubungan Onsager untuk dik lebih kompleks daripada untuk suka. Untuk campuran biner, koefisien D 11 dikaitkan dengan koefisien. Onsager L 11 rasio

Dalam proses D., peningkatan entropi terjadi, dan produksi entropi per satuan waktu adalah:

Jika campuran komponen dipengaruhi oleh ext. kekuatan F k(misalnya, gravitasi dan inersia), maka fenomena D. berubah secara signifikan. Karena gradien tekanan tergantung eksternal kekuatan F k, maka termodinamika gaya tidak hanya gradien kimia. potensi, tetapi juga gaya sentrifugal dan gaya gravitasi, dan barodiffusion terjadi. Pada saat yang sama, termodinamika kesetimbangan sesuai dengan distribusi tidak homogen stasioner konsentrasi. Proses D. cenderung membentuk distribusi ini. Proses ini memungkinkan penentuan berat molekul dari pengendapan dalam medan sentrifugal dalam ultrasentrifugasi.

Difusi dalam padatan. D. proses dalam padatan dapat dilakukan dengan bantuan beberapa. mekanisme: pertukaran tempat atom kristal. struktur dengan itu Lowongan, pergerakan atom di sepanjang celah (lihat atom interstisial), gerakan siklik simultan dari beberapa. atom, pertukaran tempat dua atom tetangga. Dalam pembentukan larutan padat substitusi, pertukaran posisi atom dan kekosongan berlaku.

koefisien D. dalam padatan sangat tergantung pada cacat struktural, meningkat dengan peningkatan jumlah mereka. D. dalam padatan dicirikan oleh eksponensial. ketergantungan pada suhu dengan energi aktivasi lebih besar dari pada cairan. koefisien D. untuk seng menjadi tembaga meningkat 10-14 kali dengan kenaikan suhu dari 30 o C menjadi 300 o C.

mikroskopis Teori dislokasi atom, berdasarkan mekanisme lompatan kekosongan, dikembangkan oleh Ya. I. Frenkel. Substitusi oleh atom kristal. struktur kekosongan dikaitkan dengan kemungkinan transisinya melalui potensi. penghalang. Diasumsikan bahwa setelah transisi atom ke dalam kekosongan, karena interaksinya yang kuat dengan atom tetangga, ia memiliki waktu untuk melepaskan sebagian energi sebelum kembali ke tempat asalnya. Waktu tinggal atom tertentu di lokasi yang berdekatan dengan kekosongan adalah

dimana adalah waktu orde periode atom mengkristal. struktur yang sesuai dengan frekuensi akustik. spektrum (~10 -13 s). Maka koefisien difusi diri akan memiliki bentuk

di mana - energi aktivasi, sebuah- konstanta kisi, kamu adalah energi pembentukan kekosongan. Untuk perbedaan kisi-kisi W tidak berbeda jauh (misalnya, untuk timah W 26 kkal/g*atom, untuk tembaga W 60 kkal / g * atom), dan sebuah dan di f-le (12) bisa sangat berbeda. koefisien D. dalam padatan juga dapat diperkirakan menggunakan teori laju reaksi Eyring, yang juga mengarah ke eksponensial. tergantung pada suhu-ry dengan energi aktivasi. Sebuah teori serupa dikembangkan untuk D. dalam paduan substitusi yang tidak teratur; itu memungkinkan untuk memperhitungkan efek atom interstisial pada difusi sendiri logam, ketika D. tidak lagi dijelaskan oleh eksponen tunggal, karena di situs dengan dekomposisi. konfigurasi atom harus diatasi diff. ampuh. hambatan. Dalam kasus ketika D. melalui pertukaran dengan lowongan atau pada saat yang sama. gerakan dalam loop tertutup, dan koefisien. D. komponen D1 dan D2 berbeda, ada aliran materi yang dihasilkan ke arah materi dengan koefisien parsial yang besar. D., proporsional (efek Kirkendall).

Fenomena transfer neutron dalam kondensor. lingkungan, disertai dengan beberapa hamburan, menggambarkan kinetik. persamaan, yang, secara umum, tidak direduksi menjadi persamaan D., bagaimanapun, pendekatan difusi sering berguna ketika mempertimbangkan difusi neutron.

Pada temp-pax yang sangat rendah di kondensor. lingkungan mungkin difusi kuantum atom, yang ditentukan oleh gerakan terowongan sub-penghalang kuantum atom, berbeda dengan klasik. D., yang ditentukan oleh transisi atom penghalang di atas. Makhluk. Perbedaan antara kuantum D. adalah bahwa koefisien. kuantum D. berbeda dari nol ketika suhu cenderung nol, nilainya banyak. memesan lebih dari koefisien. klasik D.pada suhu yang sama.

Jenis difusi lainnya. Proses difusi juga mencakup fenomena tertentu yang tidak terkait dengan transfer partikel. Jadi, dalam optik, radiasi terjadi dalam media yang tidak homogen selama beberapa proses emisi dan penyerapan foton, yang disebut pemotongan. difusi radiasi, bagaimanapun, fenomena ini sangat berbeda dari partikel D., karena persamaan keseimbangan untuk kerapatan fluks foton dijelaskan oleh integral. ur-tion, pemotongan tidak direduksi menjadi diferensial. ur-tion D. Dalam sistem spin di magn. proses perataan lapangan mungkin lih. besar momen dalam ruang di bawah pengaruh interaksi spin-spin - difusi berputar.

Lit.: 1) Groot S. de, Mazur P., Non-equilibrium, trans. dari bahasa Inggris, M., 1964, Ch. sebelas; 2) Haase R., Termodinamika proses ireversibel, trans. dari Jerman, M., 1967, ch. 4; 3) Chapman S., Cowling T., Teori matematika gas tidak homogen, trans. dari bahasa Inggris, M., 1960, Ch. 10, 14; 4) Ferziger J., Kaper G., Teori matematika proses transportasi dalam gas, trans. dari bahasa Inggris, M., 1976; 5) Ya.I. Frenkel, Teori kinetik zat cair. L., 1975; 6) Girshfelder J., Curtiss Ch., Byrd R., Teori molekuler gas dan cairan, trans. dari bahasa Inggris, M., 1961, Ch. sembilan; 7) Gray P., Teori kinetika fenomena transpor dalam zat cair sederhana, dalam: Fisika zat cair sederhana. Teori statistik, trans. dari bahasa Inggris, M., 1971; 8) Smirnov A. A., teori kinetik molekular logam, M., 1966, ch. delapan; S) Andreev A. F., Lifshitz I. M., Teori kuantum cacat pada kristal, ZhETF, 1969, v. 56, hlm. 2057; 10) Kagan Yu., Klinger M. I., Teori difusi kuantum atom dalam kristal, "J. Phys. C", 1974, ay. 7, hal. 2791; 11) Lifshits E. M., Pitaevsky L. P., Kinetika fisik, M., 1979, p11, 12; 12) Landau L. D., Lifshitz E. M., Hidrodinamika, edisi ke-3., M., 1986, hal 59.

D.P. Zubarev.

Di antara banyak fenomena dalam fisika, proses difusi adalah salah satu yang paling sederhana dan paling dapat dipahami. Lagi pula, setiap pagi, menyiapkan teh atau kopi yang harum, seseorang memiliki kesempatan untuk mengamati reaksi ini dalam praktik. Mari pelajari lebih lanjut tentang proses ini dan kondisi untuk kemunculannya di berbagai status agregasi.

Apa itu difusi?

Kata ini mengacu pada penetrasi molekul atau atom dari satu zat antara unit struktural lain yang serupa. Dalam hal ini, konsentrasi senyawa penembus diratakan.

Proses ini pertama kali dijelaskan secara rinci oleh ilmuwan Jerman Adolf Fick pada tahun 1855.

Nama istilah ini berasal dari bahasa Latin difusio (interaksi, dispersi, distribusi).

Difusi dalam cairan

Proses yang sedang dipertimbangkan dapat terjadi dengan zat dalam ketiga keadaan agregasi: gas, cair dan padat. Untuk menemukan contoh praktisnya, lihat saja ke dapur.

Borscht rebus adalah salah satunya. Di bawah pengaruh suhu, molekul glukosin betanin (zat yang membuat bit memiliki warna merah tua yang kaya) bereaksi secara merata dengan molekul air, memberikan warna merah anggur yang unik. Kasus ini dalam cairan.

Selain borscht, proses ini juga bisa dilihat pada segelas teh atau kopi. Kedua minuman ini memiliki warna yang kaya dan seragam karena fakta bahwa daun teh atau partikel kopi, yang dilarutkan dalam air, tersebar merata di antara molekul-molekulnya, mewarnainya. Aksi semua minuman instan populer tahun sembilan puluhan dibangun di atas prinsip yang sama: Yupi, Undang, Zuko.

Interpenetrasi gas

Atom dan molekul pembawa bau bergerak aktif dan, sebagai akibatnya, bercampur dengan partikel yang sudah ada di udara, dan tersebar cukup merata di seluruh volume ruangan.

Ini adalah manifestasi dari difusi dalam gas. Perlu dicatat bahwa menghirup udara juga termasuk dalam proses yang sedang dipertimbangkan, serta aroma borscht yang baru disiapkan di dapur.

Difusi dalam padatan

Meja dapur, tempat bunga-bunga berdiri, ditutupi dengan taplak meja kuning cerah. Dia menerima naungan yang sama karena kemampuan difusi terjadi dalam padatan.

Proses memberikan kanvas beberapa naungan seragam berlangsung dalam beberapa tahap sebagai berikut.

1. Partikel pigmen kuning berdifusi di tangki pewarna menuju bahan berserat.
2. Kemudian mereka diserap oleh permukaan luar kain yang diwarnai.
3. Langkah selanjutnya adalah lagi difusi pewarna, tapi kali ini ke dalam serat kanvas.
4. Pada akhirnya, kain memperbaiki partikel pigmen, sehingga menjadi berwarna.

Difusi gas dalam logam

Biasanya, berbicara tentang proses ini, pertimbangkan interaksi zat dalam keadaan agregat yang sama. Misalnya, difusi dalam padatan, padatan. Untuk membuktikan fenomena ini, percobaan dilakukan dengan dua pelat logam ditekan satu sama lain (emas dan timah). Interpenetrasi molekulnya membutuhkan waktu yang cukup lama (satu milimeter dalam lima tahun). Proses ini digunakan untuk membuat perhiasan yang tidak biasa.

Namun, senyawa dalam keadaan agregat yang berbeda juga mampu berdifusi. Misalnya, ada difusi gas dalam padatan.

Selama percobaan, terbukti bahwa proses serupa terjadi dalam keadaan atom. Untuk mengaktifkannya, sebagai suatu peraturan, diperlukan peningkatan suhu dan tekanan yang signifikan.

Contoh difusi gas tersebut dalam padatan adalah korosi hidrogen. Ini memanifestasikan dirinya dalam situasi di mana atom hidrogen (H 2) yang muncul selama beberapa reaksi kimia di bawah pengaruh suhu tinggi (dari 200 hingga 650 derajat Celcius) menembus di antara partikel struktural logam.

Selain hidrogen, difusi oksigen dan gas lainnya juga dapat terjadi pada padatan. Proses ini, yang tidak terlihat oleh mata, membawa banyak kerugian, karena struktur logam dapat runtuh karenanya.

Difusi cairan dalam logam

Namun, tidak hanya molekul gas yang dapat menembus ke dalam padatan, tetapi juga cairan. Seperti dalam kasus hidrogen, paling sering proses ini menyebabkan korosi (jika kita berbicara tentang logam).

Contoh klasik difusi cairan dalam padatan adalah korosi logam di bawah pengaruh air (H2O) atau larutan elektrolit. Untuk sebagian besar, proses ini lebih akrab dengan nama berkarat. Tidak seperti korosi hidrogen, dalam prakteknya harus dihadapi lebih sering.

Kondisi untuk mempercepat difusi. Koefisien difusi

Setelah berurusan dengan zat di mana proses yang dipertimbangkan dapat terjadi, ada baiknya mempelajari kondisi terjadinya.

Pertama-tama, laju difusi tergantung pada keadaan agregasi zat yang berinteraksi. Semakin banyak reaksi terjadi, semakin lambat lajunya.

Dalam hal ini, difusi dalam cairan dan gas akan selalu lebih aktif daripada pada padatan.

Misalnya, jika kristal kalium permanganat KMnO 4 (kalium permanganat) dilemparkan ke dalam air, mereka akan memberikan warna merah tua yang indah dalam beberapa menit. Namun, jika Anda menaburkan kristal KMnO 4 pada sepotong es dan memasukkan semuanya ke dalam freezer, setelah beberapa jam, kalium permanganat tidak akan dapat sepenuhnya mewarnai H 2 O yang beku.

Dari contoh sebelumnya, satu kesimpulan lagi dapat ditarik tentang kondisi difusi. Selain keadaan agregasi, laju interpenetrasi partikel juga dipengaruhi oleh suhu.

Untuk mempertimbangkan ketergantungan proses yang sedang dipertimbangkan, ada baiknya mempelajari konsep seperti koefisien difusi. Ini adalah nama karakteristik kuantitatif dari kecepatannya.

Dalam kebanyakan rumus, ini dilambangkan menggunakan huruf Latin kapital D dan dalam sistem SI diukur dalam meter persegi per detik (m² / s), terkadang dalam sentimeter per detik (cm 2 / m).

Koefisien difusi sama dengan jumlah materi yang dihamburkan melalui permukaan satuan selama satuan waktu, asalkan perbedaan kerapatan pada kedua permukaan (terletak pada jarak yang sama dengan satuan panjang) sama dengan satu. Kriteria yang menentukan D adalah sifat-sifat zat tempat terjadinya proses penghamburan partikel itu sendiri, dan jenisnya.

Ketergantungan koefisien pada suhu dapat dijelaskan dengan menggunakan persamaan Arrhenius: D = D 0exp (-E/TR).

Dalam rumus yang dipertimbangkan, E adalah energi minimum yang diperlukan untuk mengaktifkan proses; T - suhu (diukur dalam Kelvin, bukan Celcius); R adalah karakteristik konstanta gas dari gas ideal.

Selain semua hal di atas, laju difusi dalam padatan, cairan dalam gas dipengaruhi oleh tekanan dan radiasi (induksi atau frekuensi tinggi). Selain itu, banyak tergantung pada keberadaan zat katalitik, seringkali yang bertindak sebagai pemicu dimulainya dispersi aktif partikel.

Persamaan difusi

Fenomena ini merupakan bentuk khusus dari persamaan diferensial dengan turunan parsial.

Tujuannya adalah untuk menemukan ketergantungan konsentrasi suatu zat pada ukuran dan koordinat ruang (di mana ia berdifusi), serta waktu. Dalam hal ini, koefisien yang diberikan mencirikan permeabilitas media untuk reaksi.

Paling sering, persamaan difusi ditulis sebagai berikut: (r,t)/∂t = x .

Di dalamnya (t dan r) adalah rapat massa bahan penghambur di titik r pada waktu t. D (φ, r) adalah koefisien difusi umum pada kerapatan di titik r.

adalah operator diferensial vektor yang komponen koordinatnya merupakan turunan parsial.

Ketika koefisien difusi bergantung pada kerapatan, persamaannya adalah non-linier. Bila tidak - linier.

Setelah mempertimbangkan definisi difusi dan fitur proses ini di media yang berbeda, dapat dicatat bahwa ia memiliki sisi positif dan negatif.

Dalam kurikulum sekolah pada mata pelajaran fisika (kira-kira di kelas tujuh), siswa belajar bahwa difusi adalah suatu proses yang saling penetrasi partikel suatu zat antara partikel zat lain, sebagai akibatnya konsentrasi disetarakan di seluruh volume yang ditempati. Ini adalah definisi yang agak sulit untuk dipahami. Untuk memahami apa itu difusi sederhana, hukum difusi, persamaannya, perlu mempelajari secara rinci materi tentang masalah ini. Namun, jika ide umum sudah cukup untuk seseorang, maka data di bawah ini akan membantu untuk memperoleh pengetahuan dasar.

Fenomena fisik - apa itu

Karena kenyataan bahwa banyak orang bingung atau tidak tahu sama sekali apa itu fenomena fisik dan bagaimana perbedaannya dari fenomena kimia, serta termasuk fenomena apa difusi, maka perlu untuk memahami apa itu fenomena fisik. Jadi, seperti yang diketahui semua orang, fisika adalah ilmu independen yang termasuk dalam bidang ilmu alam, yang mempelajari hukum-hukum alam umum tentang struktur dan pergerakan materi, dan juga mempelajari materi itu sendiri. Dengan demikian, fenomena fisik adalah fenomena seperti itu, akibatnya tidak ada zat baru yang terbentuk, tetapi hanya perubahan struktur zat yang terjadi. Perbedaan antara fenomena fisika dan fenomena kimia justru terletak pada kenyataan bahwa tidak ada zat baru yang diperoleh sebagai hasilnya. Jadi, difusi adalah fenomena fisik.

Definisi dari istilah difusi

Seperti yang Anda ketahui, mungkin ada banyak rumusan konsep, tetapi makna umumnya tidak boleh berubah. Dan difusi tidak terkecuali. Definisi umum adalah sebagai berikut: difusi adalah fenomena fisik, yang merupakan penetrasi timbal balik partikel (molekul, atom) dari dua zat atau lebih ke distribusi seragam di seluruh volume yang ditempati oleh zat ini. Sebagai hasil dari difusi, tidak ada zat baru yang terbentuk, oleh karena itu justru merupakan fenomena fisik. Difusi sederhana disebut difusi, akibatnya partikel bergerak dari daerah dengan konsentrasi tertinggi ke daerah dengan konsentrasi lebih rendah, yang disebabkan oleh gerakan partikel termal (kacau, Brown). Dengan kata lain, difusi adalah proses pencampuran partikel zat yang berbeda, dan partikel didistribusikan secara merata di seluruh volume. Ini adalah definisi yang sangat disederhanakan, tetapi yang paling bisa dimengerti.

Jenis difusi

Difusi dapat diperbaiki baik ketika mengamati zat gas dan cair, dan zat padat. Oleh karena itu, ini mencakup beberapa jenis:

• Difusi kuantum adalah proses difusi partikel atau cacat titik (gangguan lokal pada kisi kristal suatu zat), yang dilakukan dalam padatan. Pelanggaran lokal adalah pelanggaran pada titik tertentu dalam kisi kristal.

• Koloid - difusi yang terjadi di seluruh volume sistem koloid. Sistem koloid adalah medium di mana partikel, gelembung, tetesan medium lain, berbeda dalam keadaan agregat dan komposisi dari yang pertama, didistribusikan. Sistem seperti itu, serta proses yang terjadi di dalamnya, dipelajari secara rinci dalam kimia koloid.
• Konvektif - transfer partikel mikro dari satu zat oleh partikel makro medium. Cabang khusus fisika yang disebut hidrodinamika berkaitan dengan studi tentang gerak media kontinu. Dari sana Anda bisa mendapatkan pengetahuan tentang keadaan aliran.
• Difusi turbulen adalah proses mentransfer satu zat ke zat lain, karena gerakan turbulen zat kedua (khas untuk gas dan cairan).

Pernyataan tersebut menegaskan bahwa difusi dapat berlangsung baik dalam gas dan cairan, dan dalam padatan.

Apa itu hukum Fick?

Ilmuwan Jerman, fisikawan Fick, menyimpulkan hukum yang menunjukkan ketergantungan kerapatan fluks partikel melalui area tunggal pada perubahan konsentrasi zat per satuan panjang. Hukum ini adalah hukum difusi. Hukum dapat dirumuskan sebagai berikut: aliran partikel, yang diarahkan sepanjang sumbu, sebanding dengan turunan jumlah partikel terhadap variabel yang diplot sepanjang sumbu relatif terhadap arah aliran partikel. bertekad. Dengan kata lain, aliran partikel yang bergerak dalam arah sumbu sebanding dengan turunan jumlah partikel terhadap variabel, yang diplot sepanjang sumbu yang sama dengan aliran. Hukum Fick memungkinkan Anda untuk menggambarkan proses perpindahan materi dalam ruang dan waktu.

Persamaan difusi

Ketika aliran hadir dalam suatu zat, zat itu sendiri didistribusikan kembali di ruang angkasa. Berkaitan dengan hal tersebut, ada beberapa persamaan yang menggambarkan proses redistribusi ini dari sudut pandang makroskopis. Persamaan difusi adalah diferensial. Ini mengikuti dari persamaan umum untuk transfer materi, yang juga disebut persamaan kontinuitas. Di hadapan difusi, hukum Fick digunakan, yang dijelaskan di atas. Persamaan tersebut memiliki bentuk sebagai berikut:

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

Metode difusi

Metode difusi, atau lebih tepatnya metode penerapannya pada bahan padat, telah banyak digunakan dalam beberapa tahun terakhir. Hal ini disebabkan karena kelebihan metode, salah satunya adalah kesederhanaan peralatan yang digunakan dan proses itu sendiri. Inti dari metode difusi dari sumber padat adalah pengendapan film yang didoping dengan satu atau lebih elemen pada semikonduktor. Ada beberapa metode lain untuk menerapkan difusi, selain metode sumber padat:

• dalam volume tertutup (metode ampul). Toksisitas minimal adalah keuntungan dari metode ini, tetapi biayanya yang tinggi, karena ampul sekali pakai, merupakan kelemahan yang signifikan;
• dalam volume terbuka (difusi termal). Kemungkinan menggunakan banyak elemen karena suhu tinggi dikecualikan, serta difusi lateral adalah kerugian besar dari metode ini;
• dalam volume tertutup sebagian (metode kotak). Ini adalah metode perantara antara dua yang dijelaskan di atas.

Untuk mempelajari lebih lanjut tentang metode dan fitur difusi, perlu untuk mempelajari literatur tambahan yang dikhususkan untuk masalah ini.

Benar-benar semua orang telah mendengar tentang konsep seperti difusi. Ini adalah salah satu topik dalam pelajaran fisika kelas 7. Terlepas dari kenyataan bahwa fenomena ini benar-benar mengelilingi kita di mana-mana, hanya sedikit orang yang mengetahuinya. Apa artinya? apa itu? arti fisik Dan bagaimana Anda bisa membuat hidup lebih mudah dengannya? Hari ini kita akan membicarakan ini.

dalam kontak dengan

Difusi dalam fisika: definisi

Ini adalah proses penetrasi molekul satu zat antara molekul zat lain. Dalam istilah sederhana, proses ini bisa disebut pencampuran. Selama ini pencampuran terjadi saling penetrasi molekul-molekul suatu zat antara satu sama lain. Misalnya, saat membuat kopi, molekul kopi instan menembus molekul air dan sebaliknya.

Kecepatan proses fisik ini tergantung pada faktor-faktor berikut:

1. Suhu.
2. Keadaan agregat materi.
3. Pengaruh eksternal.

Semakin tinggi suhu suatu zat, semakin cepat molekul bergerak. Karena itu, proses pencampuran terjadi lebih cepat pada suhu yang lebih tinggi.

Keadaan agregat materi - faktor terpenting. Dalam setiap keadaan agregasi, molekul bergerak dengan kecepatan tertentu.

Difusi dapat berlangsung dalam keadaan agregasi berikut:

1. Cairan.
2. Padat.

Kemungkinan besar, pembaca sekarang akan memiliki pertanyaan berikut:

1. Apa penyebab difusi?
2. Di mana alirannya lebih cepat?
3. Bagaimana penerapannya dalam kehidupan nyata?

Jawaban untuk mereka dapat ditemukan di bawah ini.

Penyebab

Semua yang ada di dunia ini pasti punya alasannya sendiri-sendiri. Dan difusi tidak terkecuali. Fisikawan sangat menyadari alasan kemunculannya. Dan bagaimana cara menyampaikannya kepada orang kebanyakan?

Pasti semua orang pernah mendengar bahwa molekul selalu bergerak. Apalagi gerakan ini tidak menentu dan kacau, dan kecepatannya sangat tinggi. Berkat gerakan ini dan tumbukan molekul yang konstan, penetrasi timbal balik mereka terjadi.

Apakah ada bukti untuk gerakan ini? Tentu! Ingat seberapa cepat Anda mulai mencium aroma parfum atau deodoran? Dan bau makanan yang dimasak ibumu di dapur? Ingat seberapa cepat menyiapkan teh atau kopi. Semua ini tidak mungkin terjadi, jika bukan karena pergerakan molekul. Kami menyimpulkan bahwa alasan utama difusi adalah pergerakan molekul yang konstan.

Sekarang hanya satu pertanyaan yang tersisa - apa alasan gerakan ini? Hal ini didorong oleh keinginan untuk keseimbangan. Artinya, dalam zat tersebut terdapat daerah dengan konsentrasi tinggi dan rendah dari partikel tersebut. Dan karena keinginan ini, mereka terus-menerus berpindah dari area konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Mereka terus-menerus saling bertabrakan, dan terjadi interpenetrasi.

Difusi dalam gas

Proses pencampuran partikel dalam gas adalah yang tercepat. Hal ini dapat terjadi baik antara gas homogen dan antara gas dengan konsentrasi yang berbeda.

Contoh nyata dari kehidupan:

1. Anda mencium pengharum ruangan melalui difusi.
2. Anda mencium bau makanan yang dimasak. Perhatikan bahwa Anda mulai merasakannya segera, dan aroma penyegar setelah beberapa detik. Hal ini disebabkan fakta bahwa pada suhu tinggi kecepatan pergerakan molekul lebih besar.
3. Air mata yang muncul saat Anda memotong bawang. Molekul bawang bercampur dengan molekul udara, dan mata Anda bereaksi terhadap ini.

Bagaimana difusi terjadi pada zat cair?

Difusi dalam cairan berlangsung lebih lambat. Ini dapat berlangsung dari beberapa menit hingga beberapa jam.

Contoh paling cemerlang dari kehidupan:

1. Persiapan teh atau kopi.
2. Pencampuran air dan kalium permanganat.
3. Siapkan larutan garam atau soda.

Dalam kasus ini, difusi berlangsung sangat cepat (hingga 10 menit). Namun, jika pengaruh eksternal diterapkan pada proses, misalnya, mengaduk larutan ini dengan sendok, maka prosesnya akan berjalan lebih cepat dan tidak lebih dari satu menit.

Difusi saat mencampur cairan yang lebih kental akan memakan waktu lebih lama. Misalnya, pencampuran dua logam cair dapat memakan waktu beberapa jam. Tentu saja, Anda dapat melakukan ini dalam beberapa menit, tetapi dalam kasus ini hasilnya akan paduan kualitas buruk.

Misalnya, difusi saat mencampur mayones dan krim asam akan memakan waktu yang sangat lama. Namun, jika Anda menggunakan bantuan pengaruh eksternal, maka proses ini tidak akan memakan waktu satu menit.

Difusi dalam padatan: contoh

Dalam padatan, penetrasi timbal balik partikel berlangsung sangat lambat. Proses ini mungkin memakan waktu beberapa tahun. Durasinya tergantung pada komposisi zat dan struktur kisi kristalnya.

Eksperimen membuktikan bahwa difusi dalam padatan ada.

1. Menempel dua pelat logam yang berbeda. Jika kedua lempeng ini disatukan dengan erat dan di bawah tekanan, dalam waktu lima tahun akan ada lapisan di antara mereka yang memiliki lebar 1 milimeter. Lapisan kecil ini akan mengandung molekul dari kedua logam tersebut. Kedua pelat ini akan digabung menjadi satu.
2. Lapisan emas yang sangat tipis diterapkan pada silinder timah tipis. Setelah itu, desain ini ditempatkan dalam oven selama 10 hari. Suhu udara di dalam tungku adalah 200 derajat Celcius. Setelah silinder ini dipotong menjadi piringan tipis, sangat jelas terlihat bahwa timah menembus ke dalam emas dan sebaliknya.

Contoh difusi di dunia sekitar

Seperti yang telah Anda pahami, semakin keras medium, semakin rendah laju pencampuran molekul. Sekarang mari kita bicara tentang di mana dalam kehidupan nyata Anda bisa mendapatkan manfaat praktis dari fenomena fisik ini.

Proses difusi terjadi dalam kehidupan kita sepanjang waktu. Bahkan ketika kita berbaring di tempat tidur, lapisan kulit kita yang sangat tipis tetap ada di permukaan seprai. Juga menyerap keringat. Karena inilah tempat tidur menjadi kotor dan perlu diganti.

Jadi, manifestasi proses ini dalam kehidupan sehari-hari bisa sebagai berikut:

1. Saat mengoleskan mentega di atas roti, itu diserap ke dalamnya.
2. Saat mengasinkan mentimun, garam pertama-tama berdifusi dengan air, setelah itu air garam mulai berdifusi dengan mentimun. Hasilnya, kita mendapatkan camilan yang enak. Bank perlu digulung. Ini diperlukan agar air tidak menguap. Lebih tepatnya, molekul air tidak boleh berdifusi dengan molekul udara.
3. Saat mencuci piring, molekul air dan deterjen menembus molekul sisa makanan. Ini membantu mereka keluar dari piring dan membuatnya lebih bersih.

Manifestasi difusi di alam:

1. Proses pembuahan terjadi justru karena fenomena fisik ini. Molekul sel telur dan sperma menyebar, setelah itu embrio muncul.
2. Pemupukan tanah. Melalui penggunaan bahan kimia atau kompos tertentu, tanah menjadi lebih subur. Mengapa ini terjadi? Intinya adalah bahwa molekul pupuk berdifusi dengan molekul tanah. Setelah itu, terjadi proses difusi antara molekul-molekul tanah dan akar tanaman. Berkat ini, musim akan lebih berbuah.
3. Pencampuran limbah industri dengan udara sangat mencemarinya. Karena itu, dalam radius satu kilometer, udara menjadi sangat kotor. Molekulnya berdifusi dengan molekul udara bersih dari daerah tetangga. Ini adalah bagaimana situasi ekologis di kota memburuk.

Manifestasi dari proses ini dalam industri:

1. Siliconization adalah proses difusi saturasi dengan silikon. Ini dilakukan dalam atmosfer gas. Lapisan jenuh silikon dari bagian tersebut tidak memiliki kekerasan yang terlalu tinggi, tetapi ketahanan korosi yang tinggi dan ketahanan aus yang meningkat dalam air laut, asam nitrat, klorida, dan asam sulfat.
2. Difusi dalam logam memainkan peran penting dalam produksi paduan. Untuk mendapatkan paduan berkualitas tinggi, perlu untuk menghasilkan paduan pada suhu tinggi dan dengan pengaruh eksternal. Ini akan sangat mempercepat proses difusi.

Proses ini terjadi di berbagai industri:

1. Elektronik.
2. Semikonduktor.
3. Rekayasa.

Seperti yang Anda pahami, proses difusi dapat memiliki efek positif dan negatif pada kehidupan kita. Anda harus dapat mengatur hidup Anda dan memaksimalkan manfaat dari fenomena fisik ini, serta meminimalkan bahaya.

Sekarang Anda tahu apa inti dari fenomena fisik seperti difusi. Ini terdiri dari penetrasi timbal balik partikel karena gerakannya. Segala sesuatu dalam hidup bergerak. Jika Anda seorang pelajar, maka setelah membaca artikel kami, Anda pasti akan mendapatkan nilai 5. Semoga sukses untuk Anda!