Gazizova Guzel

"Passos para a Ciência - 2016"

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Instituição de ensino orçamentária municipal

"Escola Secundária Arsk No. 7" Arsky

Distrito municipal da República do Tartaristão.

Conferência científica e prática republicana

"Passos para a Ciência - 2016"

Seção: Física e criatividade técnica

Trabalho de pesquisa

Tema: Observação da difusão na água e o efeito da temperatura na taxa de difusão.

Cargo.

Gazizova Guzel Robertovna Zinnatullin Fidaris Faisalovich

Aluno do 7º ano, professor de física, 1º trimestre. categorias.

2016

1. Página de introdução 3

1. Problema de pesquisa
2. Relevância do tópico e significado prático do estudo
3. Objeto e sujeito da pesquisa
4. Metas e metas
5. Pesquisar hipóteses

1. Corpo principal do trabalho de pesquisa Página 5

1. Descrição do local e condições de observações e experimentos
2. Metodologia de pesquisa, sua validade
3. Principais resultados do experimento
4. Generalização e conclusões

1. Conclusão Página 6
2. Referências Página 7

Difusão (do latim diffusio - espalhamento, espalhamento, espalhamento, interação) é o processo de penetração mútua de moléculas ou átomos de uma substância entre moléculas ou átomos de outra, levando à equalização espontânea de suas concentrações ao longo do volume ocupado. Em algumas situações, uma das substâncias já tem concentração igual e fala-se da difusão de uma substância em outra. Nesse caso, a transferência de uma substância ocorre de uma área com alta concentração para uma área com baixa concentração.

Se a água for cuidadosamente derramada em uma solução de sulfato de cobre, uma interface clara é formada entre as duas camadas (o sulfato de cobre é mais pesado que a água). Mas em dois dias haverá um líquido homogêneo no recipiente. Isso acontece de forma totalmente aleatória.

Outro exemplo está relacionado a um corpo sólido: se uma extremidade da haste é aquecida, ou eletricamente carregada, o calor (ou, respectivamente, corrente elétrica) se espalha da parte quente (carregada) para a parte fria (descarregada). No caso de uma haste de metal, a difusão térmica se desenvolve rapidamente e a corrente flui quase instantaneamente. Se a haste for feita de material sintético, a difusão térmica é lenta e a difusão de partículas eletricamente carregadas é muito lenta. A difusão de moléculas prossegue em geral até mais lentamente. Por exemplo, se um pedaço de açúcar for colocado no fundo de um copo de água e a água não for mexida, levará várias semanas até que a solução fique homogênea. Ainda mais lenta é a difusão de um sólido em outro. Por exemplo, se o cobre for coberto com ouro, o ouro se difundirá no cobre, mas em condições normais (temperatura ambiente e pressão atmosférica), a camada de ouro atingirá uma espessura de vários micrômetros somente após vários milhares de anos.

A primeira descrição quantitativa dos processos de difusão foi dada pelo fisiologista alemão A. Fick em 1855.

A difusão ocorre em gases, líquidos e sólidos, e tanto as partículas de substâncias estranhas neles quanto suas próprias partículas podem se difundir.

Difusão na vida humana

Estudando o fenômeno da difusão, cheguei à conclusão de que é graças a esse fenômeno que uma pessoa vive. Afinal, como você sabe, o ar que respiramos é composto por uma mistura de gases: nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono e vapor de água. Está localizado na troposfera - na camada inferior da atmosfera. Se não houvesse processos de difusão, nossa atmosfera simplesmente se estratificaria sob a ação da gravidade, que atua em todos os corpos localizados na superfície da Terra ou próximos a ela, incluindo as moléculas de ar. Na parte inferior haveria uma camada mais pesada de dióxido de carbono, acima dela - oxigênio, acima - nitrogênio e gases inertes. Mas para a vida normal, precisamos de oxigênio, não de dióxido de carbono. A difusão também ocorre no próprio corpo humano. A respiração humana e a digestão são baseadas na difusão. Se falamos de respiração, a cada momento nos vasos sanguíneos que trançam os alvéolos, há aproximadamente 70 ml de sangue, dos quais o dióxido de carbono se difunde para os alvéolos e o oxigênio se difunde na direção oposta. A enorme superfície dos alvéolos permite reduzir a espessura da camada de sangue trocando gases com o ar intraalveolar para 1 mícron, o que permite saturar essa quantidade de sangue com oxigênio e liberá-lo do excesso de dióxido de carbono em menos de 1 segundo.

Esse fenômeno também afeta o corpo humano - o oxigênio do ar penetra nos capilares sanguíneos dos pulmões por difusão através das paredes dos alvéolos e, em seguida, dissolvendo-se neles, se espalha por todo o corpo, enriquecendo-o com oxigênio.

A difusão é usada em muitos processos tecnológicos: salga, produção de açúcar (lascas de beterraba são lavadas com água, moléculas de açúcar se difundem das aparas para a solução), cozimento de geleia, tingimento de tecidos, lavanderia, cementação, soldagem e soldagem de metais, incluindo difusão soldagem a vácuo (os metais são soldados que não podem ser unidos por outros métodos - aço com ferro fundido, prata com aço inoxidável, etc.) e metalização por difusão de produtos (saturação superficial de produtos de aço com alumínio, cromo, silício), nitretação - saturação da superfície do aço com nitrogênio (o aço torna-se duro, resistente ao desgaste), cimentação - saturação de produtos de aço com carbono, cianetação - saturação da superfície do aço com carbono e nitrogênio.

Como pode ser visto nos exemplos acima, os processos de difusão desempenham um papel muito importante na vida das pessoas.

Problema: Por que a difusão ocorre de maneira diferente em diferentes temperaturas?

Relevância Vejo esse estudo no fato de que o tema "Difusão nos estados líquido, sólido e gasoso" é vital não só para o curso de física. O conhecimento da difusão pode ser útil para mim na vida cotidiana. Esta informação irá ajudá-lo a se preparar para o exame de física para o curso das escolas primárias e secundárias. Gostei muito do tema, e resolvi estudá-lo mais a fundo.

O objeto da minha pesquisaé a difusão que ocorre na água em diferentes temperaturas, eassunto de estudo– observações através da criação de experimentos em várias temperaturas modos.

Objetivo:

1. Ampliar o conhecimento sobre difusão, sua dependência de diversos fatores.
2. Explique a natureza física do fenômeno da difusão com base na estrutura molecular da matéria.
3. Descubra a dependência da taxa de difusão com a temperatura em líquidos miscíveis.
4. Confirme fatos teóricos com resultados experimentais.
5. Resuma o conhecimento adquirido e desenvolva recomendações.

Objetivos de pesquisa:

1. Investigue a taxa de difusão na água em diferentes temperaturas.
2. Prove que a evaporação de um líquido é o resultado do movimento das moléculas

Hipótese: Em altas temperaturas, as moléculas se movem mais rápido e, por causa disso, elas se misturam mais rapidamente.

A parte principal do trabalho de pesquisa

Para minha pesquisa, tomei dois copos. Ele derramou água morna em um e água fria no outro. Ao mesmo tempo, ele jogou um saco de chá neles. A água morna ficou marrom mais rápido do que a água fria. Sabe-se que na água morna as moléculas se movem mais rápido, pois sua velocidade depende da temperatura. Isso significa que as moléculas de chá penetrarão rapidamente entre as moléculas de água. Na água fria, a velocidade das moléculas é lenta, então o fenômeno de difusão aqui ocorre mais lentamente. O fenômeno da penetração de moléculas de uma substância entre as moléculas de outra é chamado de difusão.

Em seguida, despejei a mesma quantidade de água em dois copos. Deixei um copo na mesa do quarto e coloquei o outro na geladeira. Cinco horas depois, comparei os níveis de água. Descobriu-se que em um copo da geladeira, o nível praticamente não mudou. No segundo - o nível diminuiu acentuadamente. Isto é devido ao movimento das moléculas. E é maior, quanto maior a temperatura. A uma velocidade mais alta, as moléculas de água, aproximando-se da superfície, “saltam”. Esse movimento de moléculas é chamado de evaporação. A experiência mostrou que a evaporação ocorre mais rapidamente em temperaturas mais altas, pois quanto mais rápido as moléculas se movem, mais moléculas se afastam do líquido ao mesmo tempo. Em água fria, a velocidade é baixa, então eles permanecem no copo.

Conclusão:

Com base no experimento e nas observações da difusão na água em diferentes temperaturas, fiquei convencido de que a temperatura afeta fortemente a velocidade das moléculas. Isto foi evidenciado pelos vários graus de evaporação. Assim, quanto mais quente a substância, maior a velocidade das moléculas. Quanto mais frio, mais lenta é a velocidade das moléculas. Portanto, a difusão em líquidos prosseguirá mais rapidamente em alta temperatura.

Literatura:

1. A. V. Peryshkin. Física 7º ano. M.: Abetarda, 2011.
2. Biblioteca "Primeiro de Setembro". M.: "Primeiro de Setembro", 2002.
3. Biofísica nas aulas de física. Da experiência de trabalho. M., "Iluminismo", 1984.

DIFUSÃO(do latim diffusio - espalhando, espalhando, espalhando) - um processo de não equilíbrio causado pelo movimento térmico molecular e que leva ao estabelecimento de uma distribuição de equilíbrio de concentrações dentro das fases. Como resultado de D., ocorre o alinhamento químico. potenciais dos componentes da mistura. Em um sistema monofásico com DC. temp-re e a ausência de externo. D. forças equaliza a concentração de cada componente da fase em todo o volume de todo o sistema. Se o temp-pa não for constante ou o sistema for afetado por fatores externos. forças, então, como resultado de D., uma distribuição de equilíbrio espacialmente não uniforme das concentrações de cada um dos componentes é estabelecida (veja a Fig. Difusão térmica, Eletrodifusão).

(2ª lei de Fick). Esteira. a teoria de ur-ção D. coincide com a teoria equação de condução de calor.

Para uma mistura de fluxo de difusão dos componentes de cada componente j eu, de acordo com a termodinâmica de processos irreversíveis, é determinado pelos gradientes do produto químico. potenciais de todos P componentes da mistura:

Onde Curtir- cinética coeficiente Onsager, que possuem caráter tensorial e coeficientes proporcionais. D. componentes da mistura (o índice significa que D. eu-ésimo componente em relação a kº). Gradientes químicos. os potenciais são tomados em fixo. temp-re T. A expressão (4) é um caso especial das relações lineares de Onsager entre termodinâmicas. pelas forças de D. e fluxos de difusão. De acordo com o princípio de Onsager (cf. teorema de Onsager), na ausência de um ímã. Campos .

Entre os gradientes de chem. apenas potenciais n- 1 independente, eles podem ser expressos em termos de gradientes de concentração usando Equações de Gibbs - Duhem e represente o fluxo de difusão na forma

Onde Dik- coeficiente tensorial. D. Seus elementos diagonais determinam os processos diretos de D., enquanto os elementos fora da diagonal determinam os processos de difusão cruzada. Relações Onsager para Dik são mais complexos do que para Curtir. Para uma mistura binária, o coeficiente D 11 está associado ao coeficiente. Onsager eu 11 proporção

No processo de D., ocorre um aumento na entropia, e produção de entropia por unidade de tempo é:

Se a mistura de componentes for afetada por ext. força Foda-se(por exemplo, gravitacional e inercial), então o fenômeno de D. muda significativamente. Porque o gradiente de pressão depende do externo forças Foda-se, então a termodinâmica forças não são apenas gradientes químicos. potenciais, mas também a força centrífuga e a força gravitacional, e a barodifusão ocorre. Ao mesmo tempo, a termodinâmica o equilíbrio corresponde a uma distribuição estacionária não homogênea de concentrações. O processo D. tende a estabelecer essa distribuição. Este processo permite a determinação de pesos moleculares a partir de sedimentação em um campo centrífugo em uma ultracentrífuga.

Difusão em sólidos. D. processo em sólidos pode ser realizado com a ajuda de vários. mecanismos: troca de lugares de átomos cristalinos. estruturas com ele vagas, movimento de átomos ao longo de interstícios (ver átomo intersticial), movimento cíclico simultâneo de vários. átomos, a troca de lugares de dois átomos vizinhos. Na formação de soluções sólidas substitucionais, prevalece a troca de posições de átomos e vacâncias.

Coef. D. em sólidos é muito dependente de defeitos estruturais, aumentando com o aumento do seu número. D. em sólidos é caracterizada por exponencial. dependência da temperatura com uma energia de ativação maior que a dos líquidos. Coef. D. para zinco para cobre aumenta 10-14 vezes com o aumento da temperatura de 30 o C para 300 o C.

microscópico A teoria do deslocamento atômico, baseada no mecanismo de saltos sobre vacâncias, foi desenvolvida por Ya. I. Frenkel. Substituição por um átomo de cristal. a estrutura da vaga está associada à possibilidade de sua transição pelo potencial. barreira. Supõe-se que após a transição de um átomo para uma vacância, devido à sua forte interação com átomos vizinhos, ele tenha tempo de ceder parte da energia antes de retornar ao seu local original. O tempo de residência de um dado átomo em um sítio adjacente a uma vacância é

onde é o tempo da ordem do período dos átomos cristalizados. estruturas correspondentes à frequência acústica. espectro (~10 -13 s). Então o coeficiente autodifusão terá a forma

Onde - energia de ativação, uma- estrutura constante, vocêé a energia de formação de vagas. Para dif. grades C não diferem muito (por exemplo, para chumbo C 26 kcal/g*átomo, para cobre C 60 kcal/g * átomo), e uma e em f-le (12) podem diferir muito. Coef. D. em sólidos também pode ser estimado usando a teoria de taxas de reação de Eyring, que também leva a exponencial. dependendo da temperatura-ry com a energia de ativação. Uma teoria semelhante foi desenvolvida para D. em ligas substitucionais desordenadas; permitiu levar em conta o efeito dos átomos intersticiais na autodifusão do metal, quando D. não é mais descrito por um único expoente, pois em sítios com decomp. a configuração dos átomos deve ser superada diff. potente. barreiras. No caso de D. passar por intercâmbio com vagas ou ao mesmo tempo. movimento em circuito fechado, e o coeficiente. D. componente D1 e D2 diferente, há um fluxo resultante de matéria na direção da matéria com um grande coeficiente parcial. D., proporcional (efeito Kirkendall).

O fenômeno da transferência de nêutrons em condensadores. ambiente, acompanhado de espalhamento múltiplo, descreve a cinética. equação, que, em geral, não se reduz à equação de D., no entanto, a aproximação de difusão é muitas vezes útil quando se considera difusão de nêutrons.

Em temp-pax muito baixa em condensadores. ambientes é possível difusão quânticaátomos, que é determinado pelo movimento de tunelamento de sub-barreira quântica dos átomos, em contraste com o clássico. D., que é determinado pelas transições dos átomos acima da barreira. Criaturas. A diferença entre o quantum D. é que o coeficiente. quantum D. é diferente de zero quando a temperatura tende a zero, seu valor é por muitos. ordens mais do que o coeficiente. clássico D. na mesma temperatura.

Outros tipos de difusão. Os processos de difusão também incluem certos fenômenos que não estão associados à transferência de partículas. Assim, em óptica, a radiação ocorre em um meio não homogêneo durante múltiplos processos de emissão e absorção de fótons, um corte chamado. difusão de radiação, no entanto, este fenômeno é significativamente diferente das partículas D., uma vez que a equação de equilíbrio para a densidade de fluxo de fótons é descrita pela integral. ur-ção, ​​um corte não é reduzido a diferencial. ur-ção D. Em sistemas de spin em magn. processo de nivelamento de campo possível cf. magn. momento no espaço sob a influência da interação spin-spin - difusão de rotação.

Lit.: 1) Groot S. de, Mazur P., Non-equilibrium, trad. de Inglês, M., 1964, cap. onze; 2) Haase R., Termodinâmica de processos irreversíveis, trans. de German, M., 1967, cap. quatro; 3) Chapman S., Cowling T., Teoria matemática dos gases não homogêneos, trans. de Inglês, M., 1960, Cap. 10, 14; 4) Ferziger J., Kaper G., Teoria matemática dos processos de transporte em gases, trans. de English, M., 1976; 5) Ya. I. Frenkel, teoria cinética dos líquidos. L., 1975; 6) Girshfelder J., Curtiss Ch., Byrd R., Teoria molecular de gases e líquidos, trad. de Inglês, M., 1961, cap. 9; 7) Gray P., Teoria cinética dos fenômenos de transporte em líquidos simples, em: Física de líquidos simples. Teoria estatística, trad. de English, M., 1971; 8) Smirnov A. A., Molecular-kinetic theory of metals, M., 1966, cap. oito; S) Andreev A. F., Lifshitz I. M., Teoria quântica de defeitos em cristais, ZhETF, 1969, v. 56, p. 2057; 10) Kagan Yu., Klinger M.I., Teoria da difusão quântica de átomos em cristais, "J. Phys. C", 1974, v. 7, pág. 2791; 11) Lifshits E.M., Pitaevsky L.P., Physical kinetics, M., 1979, p11, 12; 12) Landau L.D., Lifshitz E.M., Hydrodynamics, 3ª ed., M., 1986, p 59.

D.P. Zubarev.

Dentre os inúmeros fenômenos da física, o processo de difusão é um dos mais simples e compreensíveis. Afinal, todas as manhãs, preparando chá ou café perfumado, uma pessoa tem a oportunidade de observar essa reação na prática. Vamos aprender mais sobre esse processo e as condições para sua ocorrência em diferentes estados de agregação.

O que é difusão

Esta palavra refere-se à penetração de moléculas ou átomos de uma substância entre unidades estruturais semelhantes de outra. Neste caso, a concentração de compostos penetrantes é nivelada.

Este processo foi descrito em detalhes pela primeira vez pelo cientista alemão Adolf Fick em 1855.

O nome deste termo foi derivado do latim diffusio (interação, dispersão, distribuição).

Difusão em líquido

O processo considerado pode ocorrer com substâncias em todos os três estados de agregação: gasoso, líquido e sólido. Para encontrar exemplos práticos disso, basta olhar para a cozinha.

O borscht cozido no fogão é um deles. Sob a influência da temperatura, as moléculas de glucosina betanina (uma substância devido à qual as beterrabas têm uma cor escarlate tão rica) reagem uniformemente com as moléculas de água, dando-lhe uma tonalidade bordô única. Este caso está em líquidos.

Além do borscht, esse processo também pode ser visto em um copo de chá ou café. Ambas as bebidas têm um tom rico e uniforme devido ao fato de que folhas de chá ou partículas de café, dissolvendo-se na água, se espalham uniformemente entre suas moléculas, colorindo-as. A ação de todas as bebidas instantâneas populares dos anos noventa é construída sobre o mesmo princípio: Yupi, Invite, Zuko.

Interpenetração de gases

Átomos e moléculas que transportam odores estão em movimento ativo e, como resultado, são misturados com partículas que já estão no ar e são dispersos de maneira bastante uniforme por todo o volume da sala.

Esta é uma manifestação de difusão em gases. Vale a pena notar que a própria inalação de ar também pertence ao processo em consideração, assim como o cheiro apetitoso de borscht recém-preparado na cozinha.

Difusão em sólidos

A mesa da cozinha, sobre a qual estão as flores, está coberta com uma toalha amarela brilhante. Ela recebeu uma tonalidade semelhante devido à capacidade de difusão de ocorrer em sólidos.

O processo de dar uma tonalidade uniforme à tela ocorre em várias etapas, como segue.

1. Partículas de pigmento amarelo difundidas no tanque de corante em direção ao material fibroso.
2. Em seguida, eles foram absorvidos pela superfície externa do tecido tingido.
3. O próximo passo foi novamente a difusão do corante, mas desta vez nas fibras do tecido.
4. No final, o tecido fixou as partículas de pigmento, tornando-se colorido.

Difusão de gases em metais

Normalmente, falando sobre esse processo, considere a interação de substâncias nos mesmos estados agregados. Por exemplo, difusão em sólidos, sólidos. Para provar esse fenômeno, é realizado um experimento com duas placas de metal pressionadas uma contra a outra (ouro e chumbo). A interpenetração de suas moléculas leva muito tempo (um milímetro em cinco anos). Este processo é usado para fazer jóias incomuns.

No entanto, compostos em diferentes estados agregados também são capazes de se difundir. Por exemplo, há difusão de gases em sólidos.

Durante os experimentos, foi comprovado que um processo semelhante ocorre no estado atômico. Para ativá-lo, como regra, é necessário um aumento significativo de temperatura e pressão.

Um exemplo de tal difusão gasosa em sólidos é a corrosão por hidrogênio. Ela se manifesta em situações em que átomos de hidrogênio (H 2 ) que surgiram no decorrer de alguma reação química sob a influência de altas temperaturas (de 200 a 650 graus Celsius) penetram entre as partículas estruturais do metal.

Além do hidrogênio, a difusão de oxigênio e outros gases também pode ocorrer em sólidos. Esse processo, imperceptível a olho nu, traz muitos malefícios, pois as estruturas metálicas podem desmoronar por causa disso.

Difusão de líquidos em metais

No entanto, não apenas as moléculas de gás podem penetrar em sólidos, mas também em líquidos. Como no caso do hidrogênio, na maioria das vezes esse processo leva à corrosão (se estivermos falando de metais).

Um exemplo clássico de difusão líquida em sólidos é a corrosão de metais sob a influência de água (H 2 O) ou soluções eletrolíticas. Para a maioria, esse processo é mais familiar sob o nome de ferrugem. Ao contrário da corrosão por hidrogênio, na prática ela deve ser encontrada com muito mais frequência.

Condições para acelerar a difusão. Coeficiente de difusão

Tendo lidado com as substâncias nas quais o processo em questão pode ocorrer, vale a pena aprender sobre as condições para sua ocorrência.

Em primeiro lugar, a taxa de difusão depende do estado de agregação das substâncias que interagem. Quanto mais uma reação ocorre, mais lenta é a sua velocidade.

A este respeito, a difusão em líquidos e gases será sempre mais ativa do que em sólidos.

Por exemplo, se os cristais de permanganato de potássio KMnO 4 (permanganato de potássio) forem jogados na água, eles darão uma bela cor carmesim em poucos minutos. No entanto, se você polvilhar cristais de KMnO 4 em um pedaço de gelo e colocar tudo no freezer, depois de algumas horas, o permanganato de potássio não será capaz de colorir totalmente a H 2 O congelada.

Do exemplo anterior, mais uma conclusão pode ser tirada sobre as condições de difusão. Além do estado de agregação, a taxa de interpenetração das partículas também é afetada pela temperatura.

Para considerar a dependência do processo em consideração sobre ele, vale a pena aprender sobre um conceito como o coeficiente de difusão. Este é o nome da característica quantitativa de sua velocidade.

Na maioria das fórmulas, é denotado com a letra maiúscula D latina e no sistema SI é medido em metros quadrados por segundo (m² / s), às vezes em centímetros por segundo (cm 2 / m).

O coeficiente de difusão é igual à quantidade de matéria espalhada por uma superfície unitária em uma unidade de tempo, desde que a diferença de densidades em ambas as superfícies (localizadas a uma distância igual a uma unidade de comprimento) seja igual a um. Os critérios que determinam D são as propriedades da substância na qual ocorre o próprio processo de espalhamento de partículas e seu tipo.

A dependência do coeficiente com a temperatura pode ser descrita usando a equação de Arrhenius: D = D 0exp (-E/TR).

Na fórmula considerada, E é a energia mínima necessária para ativar o processo; T - temperatura (medida em Kelvin, não Celsius); R é a constante de gás característica de um gás ideal.

Além de todos os itens acima, a taxa de difusão em sólidos, líquidos em gases é afetada pela pressão e radiação (indução ou alta frequência). Além disso, muito depende da presença de uma substância catalítica, muitas vezes ela atua como um mecanismo de gatilho para o início da dispersão ativa de partículas.

Equação de difusão

Este fenômeno é uma forma particular de uma equação diferencial com derivadas parciais.

Seu objetivo é encontrar a dependência da concentração de uma substância com o tamanho e as coordenadas do espaço (no qual ela se difunde), bem como com o tempo. Neste caso, o coeficiente dado caracteriza a permeabilidade do meio para a reação.

Na maioria das vezes, a equação de difusão é escrita da seguinte forma: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .

Nele φ (t e r) é a densidade do material espalhador no ponto r no tempo t. D (φ, r) é o coeficiente de difusão generalizado na densidade φ no ponto r.

∇ é um operador diferencial vetorial cujas componentes coordenadas são derivadas parciais.

Quando o coeficiente de difusão é dependente da densidade, a equação é não linear. Quando não - linear.

Tendo considerado a definição de difusão e as características desse processo em diferentes meios, pode-se notar que ele tem lados positivos e negativos.

No currículo escolar do curso de física (aproximadamente na sétima série), os alunos aprendem que a difusão é um processo que é a penetração mútua de partículas de uma substância entre partículas de outra substância, em que as concentrações são equalizadas ao longo do volume ocupado. Esta é uma definição bastante difícil de entender. Para entender o que é difusão simples, a lei da difusão, sua equação, é necessário estudar detalhadamente os materiais sobre esses assuntos. No entanto, se uma ideia geral for suficiente para uma pessoa, os dados abaixo ajudarão a obter conhecimento elementar.

Fenômeno físico - o que é

Devido ao fato de muitas pessoas confundirem ou não saberem o que é um fenômeno físico e como ele difere de um químico, bem como a que tipo de fenômeno a difusão pertence, é necessário entender o que é um fenômeno físico. Então, como todos sabem, a física é uma ciência independente pertencente ao campo das ciências naturais, que estuda as leis naturais gerais sobre a estrutura e o movimento da matéria, e também estuda a própria matéria. Assim, um fenômeno físico é um fenômeno, como resultado do qual nenhuma nova substância é formada, mas ocorre apenas uma mudança na estrutura da substância. A diferença entre um fenômeno físico e um químico reside precisamente no fato de que nenhuma nova substância é obtida como resultado. Assim, a difusão é um fenômeno físico.

Definição do termo difusão

Como você sabe, pode haver muitas formulações de um conceito, mas o significado geral não deve mudar. E a difusão não é exceção. A definição generalizada é a seguinte: a difusão é um fenômeno físico, que é a penetração mútua de partículas (moléculas, átomos) de duas ou mais substâncias para uma distribuição uniforme em todo o volume ocupado por essas substâncias. Como resultado da difusão, nenhuma nova substância é formada, portanto, é precisamente um fenômeno físico. A difusão simples é chamada de difusão, como resultado da qual as partículas se movem da região de maior concentração para a região de menor concentração, devido ao movimento térmico (caótico, browniano) das partículas. Em outras palavras, a difusão é um processo de mistura de partículas de diferentes substâncias, e as partículas são distribuídas uniformemente por todo o volume. Esta é uma definição muito simplificada, mas a mais compreensível.

Tipos de difusão

A difusão pode ser fixada tanto ao observar substâncias gasosas e líquidas quanto sólidas. Portanto, inclui vários tipos:

• A difusão quântica é o processo de difusão de partículas ou defeitos pontuais (distúrbios locais na rede cristalina de uma substância), que é realizado em sólidos. As violações locais são violações em um determinado ponto da rede cristalina.

• Coloidal - difusão que ocorre em todo o volume do sistema coloidal. Um sistema coloidal é um meio no qual são distribuídas partículas, bolhas, gotas de outro meio, diferindo em estado agregado e composição do primeiro. Tais sistemas, bem como os processos que ocorrem neles, são estudados em detalhes no curso da química colóide.
• Convectivo - a transferência de micropartículas de uma substância por macropartículas do meio. Um ramo especial da física chamado hidrodinâmica lida com o estudo do movimento de meios contínuos. A partir daí você pode obter conhecimento sobre os estados do fluxo.
• A difusão turbulenta é o processo de transferência de uma substância para outra, devido ao movimento turbulento da segunda substância (típico para gases e líquidos).

A afirmação é confirmada de que a difusão pode ocorrer tanto em gases e líquidos quanto em sólidos.

O que é a lei de Fick?

O cientista alemão, físico Fick, deduziu uma lei que mostra a dependência da densidade do fluxo de partículas através de uma única área em uma mudança na concentração de uma substância por unidade de comprimento. Esta lei é a lei da difusão. A lei pode ser formulada da seguinte forma: o fluxo de partículas, que é direcionado ao longo do eixo, é proporcional à derivada do número de partículas em relação à variável plotada ao longo do eixo em relação ao qual a direção do fluxo de partículas é determinado. Em outras palavras, o fluxo de partículas que se movem na direção do eixo é proporcional à derivada do número de partículas em relação à variável, que é plotada ao longo do mesmo eixo do fluxo. A lei de Fick permite descrever o processo de transferência de matéria no tempo e no espaço.

Equação de difusão

Quando os fluxos estão presentes em uma substância, a própria substância é redistribuída no espaço. Nesse sentido, existem várias equações que descrevem esse processo de redistribuição do ponto de vista macroscópico. A equação de difusão é diferencial. Segue da equação geral para a transferência de matéria, que também é chamada de equação da continuidade. Na presença de difusão, é usada a lei de Fick, descrita acima. A equação tem a seguinte forma:

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

Métodos de difusão

O método de difusão, ou melhor, o método de sua implementação em materiais sólidos, tem sido amplamente utilizado nos últimos anos. Isso se deve às vantagens do método, sendo uma delas a simplicidade do equipamento utilizado e o próprio processo. A essência do método de difusão de fontes sólidas é a deposição de filmes dopados com um ou mais elementos em semicondutores. Existem vários outros métodos para implementar a difusão, além do método de fonte sólida:

• em volume fechado (método da ampola). A toxicidade mínima é uma vantagem do método, mas seu alto custo, devido ao descarte da ampola, é uma desvantagem significativa;
• em volume aberto (difusão térmica). A possibilidade de usar muitos elementos devido a altas temperaturas é excluída, assim como a difusão lateral são grandes desvantagens deste método;
• em um volume parcialmente fechado (método caixa). Este é um método intermediário entre os dois descritos acima.

Para aprender mais sobre os métodos e características da difusão, é necessário estudar literatura adicional dedicada especificamente a essas questões.

Absolutamente todas as pessoas já ouviram falar de um conceito como difusão. Este foi um dos tópicos nas aulas de física do 7º ano. Apesar do fato de que esse fenômeno nos cerca absolutamente em todos os lugares, poucas pessoas sabem disso. O que significa afinal? Qual é o seu significado físico E como você pode tornar a vida mais fácil com isso? Hoje vamos falar sobre isso.

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Difusão em física: definição

Este é o processo de penetração de moléculas de uma substância entre as moléculas de outra substância. Em termos simples, esse processo pode ser chamado de mistura. Durante este mistura ocorre a penetração mútua das moléculas de uma substância entre si. Por exemplo, ao fazer café, as moléculas de café instantâneo penetram nas moléculas de água e vice-versa.

A velocidade desse processo físico depende dos seguintes fatores:

1. Temperatura.
2. Estado agregado da matéria.
3. Influência externa.

Quanto maior a temperatura de uma substância, mais rápido as moléculas se movem. Consequentemente, processo de mistura ocorre mais rapidamente em temperaturas mais altas.

Estado agregado da matéria - o fator mais importante. Em cada estado de agregação, as moléculas se movem a uma certa velocidade.

A difusão pode prosseguir nos seguintes estados de agregação:

1. Líquido.
2. Sólido.

Muito provavelmente, o leitor terá agora as seguintes perguntas:

1. Quais são as causas da difusão?
2. Onde flui mais rápido?
3. Como se aplica na vida real?

As respostas para elas podem ser encontradas abaixo.

Causas

Absolutamente tudo neste mundo tem sua própria razão. E difusão não é exceção. Os físicos estão bem cientes das razões para sua ocorrência. E como transmiti-los para a pessoa média?

Certamente todo mundo já ouviu falar que as moléculas estão em constante movimento. Além disso, esse movimento é desordenado e caótico, e sua velocidade é muito alta. Graças a esse movimento e à constante colisão de moléculas, ocorre sua penetração mútua.

Existe alguma evidência para este movimento? É claro! Você se lembra da rapidez com que começou a sentir o cheiro de perfume ou desodorante? E o cheiro da comida que sua mãe cozinha na cozinha? Lembre-se de quão rápido preparar chá ou café. Tudo isso não poderia ser, se não fosse o movimento das moléculas. Concluímos que o principal motivo da difusão é o movimento constante das moléculas.

Agora resta apenas uma pergunta - qual é a razão para este movimento? É impulsionado pelo desejo de equilíbrio. Ou seja, na substância existem áreas com altas e baixas concentrações dessas partículas. E por causa desse desejo, eles estão constantemente se movendo de uma área de alta concentração para uma baixa concentração. Eles são constantemente colidem uns com os outros, e a interpenetração ocorre.

Difusão em gases

O processo de mistura de partículas em gases é o mais rápido. Pode ocorrer tanto entre gases homogêneos quanto entre gases com diferentes concentrações.

Exemplos vívidos da vida:

1. Você cheira o purificador de ar através da difusão.
2. Você sente o cheiro da comida cozida. Observe que você começa a senti-lo imediatamente, e o cheiro do ambientador após alguns segundos. Isso se deve ao fato de que em altas temperaturas a velocidade de movimento das moléculas é maior.
3. Lágrimas que surgem quando você corta cebolas. Moléculas de cebola se misturam com moléculas de ar, e seus olhos reagem a isso.

Como ocorre a difusão em líquidos?

A difusão em líquidos prossegue mais lentamente. Pode durar de vários minutos a várias horas.

Os exemplos mais brilhantes da vida:

1. Preparação de chá ou café.
2. Mistura de água e permanganato de potássio.
3. Preparar uma solução de sal ou refrigerante.

Nesses casos, a difusão ocorre muito rapidamente (até 10 minutos). No entanto, se uma influência externa for aplicada ao processo, por exemplo, mexendo essas soluções com uma colher, o processo será muito mais rápido e não levará mais de um minuto.

A difusão ao misturar líquidos mais espessos levará muito mais tempo. Por exemplo, misturar dois metais líquidos pode levar várias horas. Claro, você pode fazer isso em alguns minutos, mas neste caso vai acabar liga de má qualidade.

Por exemplo, a difusão ao misturar maionese e creme azedo levará muito tempo. No entanto, se você recorrer à ajuda da influência externa, esse processo não levará nem um minuto.

Difusão em sólidos: exemplos

Nos sólidos, a penetração mútua de partículas ocorre muito lentamente. Esse processo pode levar vários anos. Sua duração depende da composição da substância e da estrutura de sua rede cristalina.

Experimentos provando que existe difusão em sólidos.

1. Colagem de duas placas de metais diferentes. Se essas duas placas forem mantidas firmemente juntas e sob pressão, dentro de cinco anos haverá uma camada entre elas com uma largura de 1 milímetro. Esta pequena camada conterá moléculas de ambos os metais. Essas duas placas serão mescladas.
2. Uma camada muito fina de ouro é aplicada a um cilindro de chumbo fino. Depois disso, este desenho é colocado em um forno por 10 dias. A temperatura do ar no forno é de 200 graus Celsius. Depois que este cilindro foi cortado em discos finos, ficou muito claro que o chumbo penetrava no ouro e vice-versa.

Exemplos de difusão no mundo circundante

Como você já entendeu, quanto mais duro o meio, menor a taxa de mistura de moléculas. Agora vamos falar sobre onde na vida real você pode obter benefícios práticos desse fenômeno físico.

O processo de difusão ocorre em nossa vida o tempo todo. Mesmo quando nos deitamos na cama, uma camada muito fina de nossa pele permanece na superfície do lençol. Também absorve o suor. É por isso que a cama fica suja e precisa ser trocada.

Assim, a manifestação desse processo na vida cotidiana pode ser a seguinte:

1. Ao espalhar manteiga no pão, ela é absorvida.
2. Ao conservar pepinos, o sal primeiro se difunde com a água, após o que a água salgada começa a se difundir com os pepinos. Como resultado, obtemos um delicioso lanche. Os bancos precisam ser enrolados. Isso é necessário para que a água não evapore. Mais precisamente, as moléculas de água não devem se difundir com as moléculas de ar.
3. Ao lavar a louça, as moléculas de água e detergente penetram nas moléculas dos restos de comida. Isso os ajuda a sair do prato e torná-lo mais limpo.

Manifestação de difusão na natureza:

1. O processo de fertilização ocorre justamente devido a esse fenômeno físico. As moléculas do óvulo e do espermatozoide se difundem, após o que o embrião aparece.
2. Adubação do solo. Através do uso de certos produtos químicos ou composto, o solo torna-se mais fértil. Por que isso está acontecendo? A linha inferior é que as moléculas de fertilizantes se difundem com as moléculas do solo. Depois disso, ocorre o processo de difusão entre as moléculas do solo e a raiz da planta. Graças a isso, a temporada será mais frutífera.
3. A mistura de resíduos industriais com o ar o polui muito. Por causa disso, em um raio de um quilômetro, o ar fica muito sujo. Suas moléculas se difundem com moléculas de ar limpo de áreas vizinhas. É assim que a situação ecológica da cidade piora.

A manifestação deste processo na indústria:

1. Siliconização é um processo de saturação de difusão com silício. É realizado em uma atmosfera gasosa. A camada saturada de silício da peça não possui dureza muito alta, mas alta resistência à corrosão e maior resistência ao desgaste em água do mar, ácidos nítrico, clorídrico e sulfúrico.
2. A difusão em metais desempenha um papel importante na produção de ligas. Para obter uma liga de alta qualidade, é necessário produzir ligas em altas temperaturas e com influência externa. Isso irá acelerar muito o processo de difusão.

Esses processos ocorrem em várias indústrias:

1. Eletrônico.
2. Semicondutor.
3. Engenharia.

Como você entende, o processo de difusão pode ter efeitos positivos e negativos em nossas vidas. Você precisa ser capaz de gerenciar sua vida e maximizar os benefícios desse fenômeno físico, além de minimizar os danos.

Agora você sabe qual é a essência de um fenômeno físico como a difusão. Consiste na penetração mútua de partículas devido ao seu movimento. Tudo na vida se move. Se você é um estudante, depois de ler nosso artigo, você definitivamente obterá uma nota 5. Boa sorte para você!