Gazizova Guzel

„Pași în știință – 2016”

Descarca:

Previzualizare:

Instituție de învățământ bugetar municipal

„Școala Gimnazială Nr. 7 Arsk” Arsky

Districtul municipal al Republicii Tatarstan.

Conferință științifică și practică republicană

„Pași în știință – 2016”

Secțiunea: Fizică și creativitate tehnică

Cercetare

Subiect: Observarea difuziei în apă și efectul temperaturii asupra vitezei de difuzie.

Poziţie.

Gazizova Guzel Robertovna Zinnatullin Fidaris Faisalovich

Elev în clasa a VII-a, profesor de fizică, trimestrul I. categorii.

2016

1. Pagina de introducere 3

1. Problema de cercetare
2. Relevanța temei și semnificația practică a studiului
3. Obiectul și subiectul cercetării
4. Teluri si obiective
5. Ipoteza cercetării

1. Corpul principal al lucrării de cercetare Pagina 5

1. Descrierea locului și condițiilor observațiilor și experimentelor
2. Metodologia cercetării, valabilitatea ei
3. Principalele rezultate ale experimentului
4. Generalizare și concluzii

1. Concluzie Pagina 6
2. Referințe Pagina 7

Difuzia (în latină diffusio - răspândire, răspândire, împrăștiere, interacțiune) este procesul de pătrundere reciprocă a moleculelor sau atomilor unei substanțe între molecule sau atomi ai alteia, ducând la egalizarea spontană a concentrațiilor acestora în volumul ocupat. În unele situații, una dintre substanțe are deja o concentrație egală și se vorbește despre difuzia unei substanțe în alta. În acest caz, transferul unei substanțe are loc dintr-o zonă cu o concentrație mare într-o zonă cu o concentrație scăzută.

Dacă apa este turnată cu grijă într-o soluție de sulfat de cupru, atunci se formează o interfață clară între cele două straturi (sulfatul de cupru este mai greu decât apa). Dar în două zile va fi un lichid omogen în vas. Acest lucru se întâmplă complet aleatoriu.

Un alt exemplu este legat de un corp solid: dacă un capăt al tijei este încălzit sau încărcat electric, căldura (sau, respectiv, curentul electric) se răspândește din partea fierbinte (încărcată) în partea rece (neîncărcată). În cazul unei tije metalice, difuzia termică se dezvoltă rapid, iar curentul curge aproape instantaneu. Dacă tija este făcută din material sintetic, difuzia termică este lentă, iar difuzia particulelor încărcate electric este foarte lentă. Difuzia moleculelor se desfășoară în general și mai lent. De exemplu, dacă o bucată de zahăr este coborâtă pe fundul unui pahar cu apă și apa nu este amestecată, va dura câteva săptămâni până când soluția devine omogenă. Și mai lentă este difuzarea unui solid în altul. De exemplu, dacă cuprul este acoperit cu aur, atunci aurul se va difuza în cupru, dar în condiții normale (temperatura camerei și presiunea atmosferică), stratul purtător de aur va atinge o grosime de câțiva micrometri abia după câteva mii de ani.

Prima descriere cantitativă a proceselor de difuzie a fost dată de fiziologul german A. Fick în 1855.

Difuzia are loc în gaze, lichide și solide și pot difuza atât particulele de substanțe străine din ele, cât și particulele proprii.

Difuzia în viața umană

Studiind fenomenul difuziei, am ajuns la concluzia că o persoană trăiește datorită acestui fenomen. La urma urmei, după cum știți, aerul pe care îl respirăm este format dintr-un amestec de gaze: azot, oxigen, dioxid de carbon și vapori de apă. Este situat în troposferă - în stratul inferior al atmosferei. Dacă nu ar exista procese de difuzie, atunci atmosfera noastră s-ar stratifica pur și simplu sub acțiunea gravitației, care acționează asupra tuturor corpurilor situate pe suprafața Pământului sau în apropierea acestuia, inclusiv asupra moleculelor de aer. În partea de jos ar fi un strat mai greu de dioxid de carbon, deasupra acestuia - oxigen, deasupra - azot și gaze inerte. Dar pentru viața normală, avem nevoie de oxigen, nu de dioxid de carbon. Difuzia are loc și în corpul uman însuși. Respirația și digestia umană se bazează pe difuzie. Dacă vorbim despre respirație, atunci în fiecare moment de timp în vasele de sânge care împletesc alveolele există aproximativ 70 ml de sânge, din care dioxidul de carbon difuzează în alveole, iar oxigenul difuzează în direcția opusă. Suprafața uriașă a alveolelor face posibilă reducerea grosimii stratului de sânge care schimbă gaze cu aerul intraalveolar la 1 micron, ceea ce face posibilă saturarea acestei cantități de sânge cu oxigen și eliberarea acesteia din excesul de dioxid de carbon în mai puțin de 1 secunda.

Acest fenomen afectează și corpul uman - oxigenul aerului pătrunde în capilarele sanguine ale plămânilor prin difuzie prin pereții alveolelor, iar apoi dizolvându-se în ei, se răspândește în tot organismul, îmbogățindu-l cu oxigen.

Difuzia este utilizată în multe procese tehnologice: sărare, producție de zahăr (aștrii de sfeclă de zahăr sunt spălate cu apă, moleculele de zahăr se difuzează din așchii în soluție), gătirea gemului, vopsirea țesăturilor, spălarea rufelor, cementarea, sudarea și lipirea metalelor, inclusiv difuzia. sudarea în vid (se sudează metalele care nu pot fi îmbinate prin alte metode - oțel cu fontă, argint cu oțel inoxidabil etc.) și metalizarea prin difuzie a produselor (saturarea suprafeței produselor din oțel cu aluminiu, crom, siliciu), nitrurare - saturare a suprafetei otelului cu azot (otelul devine dur, rezistent la uzura), cimentarea - saturarea produselor din otel cu carbon, cianurare - saturarea suprafetei otelului cu carbon si azot.

După cum se poate observa din exemplele de mai sus, procesele de difuzie joacă un rol foarte important în viața oamenilor.

Problemă: De ce difuzia are loc diferit la temperaturi diferite?

Relevanţă Văd acest studiu în faptul că tema „Difuzia în stare lichidă, solidă și gazoasă” este vitală nu numai pentru cursul fizicii. Cunoștințele despre difuzare îmi pot fi utile în viața de zi cu zi. Aceste informații vă vor ajuta să vă pregătiți pentru examenul de fizică pentru cursul școlilor primare și gimnaziale. Mi-a plăcut foarte mult subiectul și am decis să-l studiez mai profund.

Obiectul cercetării meleeste difuzia care are loc în apă la diferite temperaturi, șisubiect de studiu– observatii prin realizarea de experimente la diferite temperaturi moduri.

Obiectiv:

1. Extindeți cunoștințele despre difuzie, dependența acesteia de diferiți factori.
2. Explicați natura fizică a fenomenului de difuzie pe baza structurii moleculare a materiei.
3. Aflați dependența vitezei de difuzie de temperatură în lichidele miscibile.
4. Confirmați faptele teoretice cu rezultate experimentale.
5. Rezumați cunoștințele acumulate și dezvoltați recomandări.

Obiectivele cercetării:

1. Investigați viteza de difuzie în apă la diferite temperaturi.
2. Demonstrați că evaporarea unui lichid este rezultatul mișcării moleculelor

Ipoteză: La temperaturi ridicate, moleculele se mișcă mai repede și din această cauză se amestecă mai repede.

Partea principală a lucrării de cercetare

Pentru cercetarea mea, am luat două pahare. A turnat apă caldă într-unul și apă rece în celălalt. În același timp, a scăpat în ei un plic de ceai. Apa caldă a devenit maro mai repede decât apa rece. Se știe că în apa caldă moleculele se mișcă mai repede, deoarece viteza lor depinde de temperatură. Aceasta înseamnă că moleculele de ceai vor pătrunde rapid între moleculele de apă. În apa rece, viteza moleculelor este lentă, astfel încât fenomenul de difuzie decurge aici mai lent. Fenomenul de pătrundere a moleculelor unei substanțe între moleculele alteia se numește difuzie.

Apoi am turnat aceeași cantitate de apă în două pahare. Am lăsat un pahar pe masa din cameră, iar celălalt l-am pus la frigider. Cinci ore mai târziu am comparat nivelul apei. S-a dovedit că într-un pahar de la frigider, nivelul practic nu s-a schimbat. În al doilea - nivelul a scăzut semnificativ. Acest lucru se datorează mișcării moleculelor. Și este mai mare, cu cât temperatura este mai mare. La o viteză mai mare, moleculele de apă, care se apropie de suprafață, „sar afară”. Această mișcare a moleculelor se numește evaporare. Experiența a arătat că evaporarea are loc mai repede la temperaturi mai ridicate, deoarece cu cât moleculele se mișcă mai repede, cu atât mai multe molecule zboară departe de lichid în același timp. In apa rece, viteza este mica, asa ca raman in pahar.

Concluzie:

Pe baza experimentului și a observațiilor de difuzie în apă la diferite temperaturi, am fost convins că temperatura afectează puternic viteza moleculelor. Acest lucru a fost evidențiat de diferitele grade de evaporare. Astfel, cu cât substanța este mai fierbinte, cu atât viteza moleculelor este mai mare. Cu cât este mai rece, cu atât viteza moleculelor este mai mică. Prin urmare, difuzia în lichide va avea loc mai rapid la temperatură ridicată.

Literatură:

1. A.V. Peryshkin. Fizica clasa a 7-a. M.: Dropia, 2011.
2. Biblioteca „Primul septembrie”. M .: „Primul septembrie”, 2002.
3. Biofizică la lecțiile de fizică. Din experiența de muncă. M., „Iluminismul”, 1984.

DIFUZIA(din latină diffusio - răspândire, răspândire, împrăștiere) - un proces de neechilibru cauzat de mișcarea termică moleculară și care duce la stabilirea unei distribuții de echilibru a concentrațiilor în cadrul fazelor. Ca urmare a D., are loc alinierea chimică. potențialele componentelor amestecului. Într-un sistem monofazat cu DC. temp-re și absența externă. D. forţe egalizează concentraţia fiecărei componente a fazei pe tot volumul întregului sistem. Dacă temp-pa nu este constantă sau sistemul este afectat de extern. forțe, apoi ca urmare a lui D., se stabilește o distribuție de echilibru neomogenă spațial a concentrațiilor fiecăruia dintre componente (vezi Fig. Difuzie termică, Electrodifuzie).

(a doua lege a lui Fick). Mat. teoria ur-ţiei D. coincide cu teoria ecuația de conducere a căldurii.

Pentru un amestec de fluxul de difuzie al componentelor fiecărei componente j i, conform termodinamicii proceselor ireversibile, este determinată de gradienții substanței chimice. potențialele tuturor P componente ale amestecului:

Unde Lik- cinetic coeficient Onsager, care au un caracter tensor și coeficienți proporționali. D. componente ale amestecului (indicele înseamnă că D. i-a componenta relativ la k e). Gradienți chimici. potenţialele sunt luate la fix. temp-re T. Expresia (4) este un caz special al relațiilor liniare ale lui Onsager între termodinamice. de forțele lui D. şi fluxurile de difuzie. Conform principiului lui Onsager (cf. teorema lui Onsager), în lipsa unui magnet. câmpuri .

Printre gradienții de chimie. numai potențiale n- 1 independent, ele pot fi exprimate în termeni de gradienți de concentrație folosind Ecuații Gibbs - Duhemși reprezintă fluxul de difuzie în formă

Unde Dik- coeficient tensor. D. Elementele sale diagonale determină procesele directe ale lui D., în timp ce elementele în afara diagonalei determină procesele de difuzie încrucișată. Relaţii Onsager pentru Dik sunt mai complexe decât pentru Lik. Pentru un amestec binar, coeficientul D 11 este asociat cu coeficientul. Onsager L 11 raport

În procesul lui D., are loc o creștere a entropiei și producția de entropie pe unitatea de timp este:

Dacă amestecul de componente este afectat de ext. putere Fk(de exemplu, gravitațional și inerțial), atunci fenomenul D. se modifică semnificativ. Deoarece gradientul de presiune depinde de extern forte Fk, apoi termodinamica fortele nu sunt doar gradienti chimici. potențialele, dar și forța centrifugă și forța gravitațională și are loc barodifuzia. În același timp, termodinamica echilibrul corespunde unei distribuţii neomogene staţionare a concentraţiilor. Procesul D. tinde să stabilească această distribuţie. Acest proces permite determinarea greutăților moleculare din sedimentareîntr-un câmp centrifugal într-o ultracentrifugă.

Difuzia în solide. D. procesul în solide poate fi realizat cu ajutorul mai multor. mecanisme: schimb de locuri de atomi cristalin. structuri cu acesta posturi vacante, mișcarea atomilor de-a lungul interstițiilor (vezi atom interstițial), mișcare ciclică simultană a mai multor. atomi, schimbul de locuri a doi atomi vecini. În formarea soluțiilor solide substituționale, predomină schimbul de poziții ale atomilor și al locurilor libere.

Coef. D. în solide este foarte dependentă de defectele structurale, crescând odată cu creșterea numărului acestora. D. în solide se caracterizează prin exponenţial. dependenta de temperatura cu o energie de activare mai mare decat cea a lichidelor. Coef. D. pentru zinc la cupru crește de 10-14 ori cu creșterea temperaturii de la 30 o C la 300 o C.

microscopic Teoria dislocarii atomice, bazata pe mecanismul salturilor peste locurile vacante, a fost dezvoltata de Ya. I. Frenkel. Înlocuirea cu un atom de cristal. structura postului vacant este asociată cu posibilitatea trecerii acestuia prin potenţial. barieră. Se presupune că, după trecerea unui atom într-un loc vacant, datorită interacțiunii sale puternice cu atomii învecinați, are timp să renunțe la o parte din energie înainte de a reveni la locul inițial. Timpul de rezidență al unui atom dat într-un loc adiacent unui loc vacant este

unde este timpul de ordinul perioadei atomilor cristalizati. structuri corespunzătoare frecvenţei acustice. spectru (~10 -13 s). Apoi coeficientul autodifuzia va avea forma

Unde - energie activatoare, A- constantă de rețea, U este energia formării posturilor vacante. Pentru dif. grătare W nu diferă foarte mult (de exemplu, pentru plumb W 26 kcal/g*atom, pentru cupru W 60 kcal / g * atom) și A iar în f-le (12) poate diferi foarte mult. Coef. D. în solide poate fi estimată și folosind teoria Eyring a vitezei de reacție, care duce și la exponențial. in functie de temperatura-ry cu energia de activare. O teorie similară a fost dezvoltată pentru D. în aliajele substituționale dezordonate, a făcut posibilă luarea în considerare a efectului atomilor interstițiali asupra autodifuziei metalului, atunci când D. nu mai este descris de un singur exponent, deoarece la locuri. cu decomp. configurația atomilor trebuie depășită dif. puternic. bariere. În cazul în care D. trece printr-un schimb cu posturi vacante sau în acelaşi timp. mișcarea într-o buclă închisă și coeficientul. D. componentă D1și D2 diferit, rezultă un flux de materie în direcția materiei cu un coeficient parțial mare. D., proporțional (efectul Kirkendall).

Fenomenul transferului de neutroni în condensatoare. mediu, însoțit de împrăștiere multiplă, descrie cinetica. ecuație, care, în general, nu se reduce la ecuația lui D., totuși, aproximarea difuziei este adesea utilă atunci când se consideră difuzia neutronilor.

La temperatură foarte scăzută-pax în condensatoare. medii este posibil difuzie cuantică atomi, care este determinată de mișcarea de tunel a sub-barierei cuantice a atomilor, spre deosebire de cea clasică. D., care este determinată de tranzițiile de deasupra barierei atomilor. Creaturi. Diferența dintre cuantumul D. este că coeficientul. cuantumul D. este diferit de zero atunci când temperatura tinde spre zero, valoarea sa este de mai multe. comandă mai mult decât coeficientul. clasic D. la aceeasi temp.

Alte tipuri de difuzii. Procesele de difuzie includ, de asemenea, anumite fenomene care nu sunt asociate cu transferul de particule. Deci, în optică, radiația are loc într-un mediu neomogen în timpul multiplelor procese de emisie și absorbție a fotonilor, o tăietură numită. difuzia radiatiilor, cu toate acestea, acest fenomen este semnificativ diferit de particulele D., deoarece ecuația de echilibru pentru densitatea fluxului de fotoni este descrisă de integrală. ur-ţiune, o tăietură nu se reduce la diferenţial. ur-tion D. În sistemele de spin în magn. posibil proces de nivelare a câmpului cf. magn. moment în spațiu sub influența interacțiunii spin-spin - difuzia spinului.

Lit.: 1) Groot S. de, Mazur P., Non-equilibrium, trad. din engleză, M., 1964, cap. unsprezece; 2) Haase R., Termodinamica proceselor ireversibile, trad. din germană, M., 1967, cap. 4; 3) Chapman S., Cowling T., Teoria matematică a gazelor neomogene, trad. din engleză, M., 1960, cap. 10, 14; 4) Ferziger J., Kaper G., Teoria matematică a proceselor de transport în gaze, trad. din engleză, M., 1976; 5) Ya. I. Frenkel, Teoria cinetică a lichidelor. L., 1975; 6) Girshfelder J., Curtiss Ch., Byrd R., Teoria moleculară a gazelor și lichidelor, trad. din engleză, M., 1961, cap. nouă; 7) Gray P., Teoria cinetică a fenomenelor de transport în lichide simple, în: Fizica lichidelor simple. Teoria statistică, trad. din engleză, M., 1971; 8) Smirnov A. A., Teoria molecular-cinetică a metalelor, M., 1966, cap. opt; S) Andreev A. F., Lifshitz I. M., Teoria cuantică a defectelor în cristale, ZhETF, 1969, v. 56, p. 2057; 10) Kagan Yu., Klinger M. I., Teoria difuziei cuantice a atomilor în cristale, „J. Phys. C”, 1974, v. 7, p. 2791; 11) Lifshits E. M., Pitaevsky L. P., Physical kinetics, M., 1979, p11, 12; 12) Landau L. D., Lifshitz E. M., Hydrodynamics, ed. a III-a, M., 1986, p. 59.

D. P. Zubarev.

Dintre numeroasele fenomene din fizică, procesul de difuzie este unul dintre cele mai simple și mai înțelese. La urma urmei, în fiecare dimineață, pregătindu-se un ceai sau cafea parfumată, o persoană are ocazia să observe această reacție în practică. Să aflăm mai multe despre acest proces și condițiile pentru apariția lui în diferite stări de agregare.

Ce este difuzia

Acest cuvânt se referă la pătrunderea moleculelor sau atomilor unei substanțe între unități structurale similare ale alteia. În acest caz, concentrația de compuși penetranți este nivelată.

Acest proces a fost descris pentru prima dată în detaliu de omul de știință german Adolf Fick în 1855.

Numele acestui termen a fost derivat din latinescul diffusio (interacțiune, dispersie, distribuție).

Difuzie în lichid

Procesul luat în considerare poate avea loc cu substanțe în toate cele trei stări de agregare: gazoasă, lichidă și solidă. Pentru a găsi exemple practice în acest sens, uitați-vă în bucătărie.

Borșul fiert la sobă este unul dintre ele. Sub influența temperaturii, moleculele de glucozină betanină (o substanță datorită căreia sfecla are o culoare stacojie atât de bogată) reacționează uniform cu moleculele de apă, dându-i o nuanță unică de visiniu. Acest caz este în lichide.

Pe lângă borș, acest proces poate fi văzut și într-un pahar de ceai sau cafea. Ambele băuturi au o nuanță atât de uniformă și bogată datorită faptului că frunzele de ceai sau particulele de cafea, dizolvate în apă, se răspândesc uniform între moleculele sale, colorându-le. Acțiunea tuturor băuturilor instant populare din anii 90 este construită pe același principiu: Yupi, Invite, Zuko.

Interpenetrarea gazelor

Atomii și moleculele purtătoare de miros sunt în mișcare activă și, ca urmare, sunt amestecate cu particulele deja în aer și sunt dispersate destul de uniform în volumul încăperii.

Aceasta este o manifestare a difuziei în gaze. Este de remarcat faptul că însăși inhalarea de aer aparține procesului luat în considerare, precum și mirosul apetisant de borș proaspăt preparat din bucătărie.

Difuzia în solide

Masa de bucătărie, pe care stau florile, este acoperită cu o față de masă galben strălucitor. Ea a primit o nuanță similară datorită capacității de difuzie de a avea loc în solide.

Procesul de a conferi pânzei o nuanță uniformă are loc în mai multe etape, după cum urmează.

1. Particule de pigment galben difuzate în rezervorul de colorant către materialul fibros.
2. Apoi au fost absorbite de suprafața exterioară a țesăturii vopsite.
3. Următorul pas a fost din nou difuzia vopselei, dar de data aceasta în fibrele țesăturii.
4. În final, țesătura a fixat particulele de pigment, devenind astfel colorată.

Difuzia gazelor în metale

De obicei, vorbind despre acest proces, luăm în considerare interacțiunea substanțelor în aceleași stări agregate. De exemplu, difuzia în solide, solide. Pentru a demonstra acest fenomen, se efectuează un experiment cu două plăci metalice presate una pe cealaltă (aur și plumb). Întrepătrunderea moleculelor lor durează destul de mult (un milimetru în cinci ani). Acest proces este folosit pentru a face bijuterii neobișnuite.

Cu toate acestea, compușii în diferite stări agregate sunt, de asemenea, capabili să se difuzeze. De exemplu, există difuzie de gaze în solide.

În timpul experimentelor, s-a dovedit că un proces similar are loc în starea atomică. Pentru a-l activa, de regulă, este necesară o creștere semnificativă a temperaturii și presiunii.

Un exemplu de astfel de difuzie gazoasă în solide este coroziunea hidrogenului. Se manifestă în situațiile în care atomi de hidrogen (H 2) care au apărut în cursul unei reacții chimice sub influența temperaturilor ridicate (de la 200 la 650 de grade Celsius) pătrund între particulele structurale ale metalului.

Pe lângă hidrogen, difuzia oxigenului și a altor gaze poate avea loc și în solide. Acest proces, insesizabil pentru ochi, aduce mult rău, deoarece structurile metalice se pot prăbuși din cauza lui.

Difuzia lichidelor în metale

Cu toate acestea, nu numai moleculele de gaz pot pătrunde în solide, ci și în lichide. Ca și în cazul hidrogenului, cel mai adesea acest proces duce la coroziune (dacă vorbim de metale).

Un exemplu clasic de difuzie lichidă în solide este coroziunea metalelor sub influența apei (H 2 O) sau a soluțiilor de electroliți. Pentru majoritatea, acest proces este mai familiar sub numele de ruginire. Spre deosebire de coroziunea cu hidrogen, în practică aceasta trebuie întâlnită mult mai des.

Condiții pentru accelerarea difuziei. Coeficientul de difuzie

După ce s-a ocupat de substanțele în care poate avea loc procesul în cauză, merită să înveți despre condițiile de apariție a acestuia.

În primul rând, viteza de difuzie depinde de starea de agregare a substanțelor care interacționează. Cu cât o reacție are loc mai mult, cu atât viteza acesteia este mai lentă.

În acest sens, difuzia în lichide și gaze va fi întotdeauna mai activă decât în ​​solide.

De exemplu, dacă cristalele de permanganat de potasiu KMnO 4 (permanganat de potasiu) sunt aruncate în apă, acestea îi vor da o culoare purpurie frumoasă în câteva minute. Totuși, dacă presărați cristale de KMnO 4 pe o bucată de gheață și puneți totul la congelator, după câteva ore, permanganatul de potasiu nu va putea colora complet H 2 O înghețat.

Din exemplul anterior se mai poate trage o concluzie despre condițiile de difuzie. Pe lângă starea de agregare, viteza de întrepătrundere a particulelor este, de asemenea, afectată de temperatură.

Pentru a lua în considerare dependența procesului luat în considerare de acesta, merită să învățați despre un astfel de concept precum coeficientul de difuzie. Acesta este numele caracteristicii cantitative a vitezei sale.

În majoritatea formulelor, se notează folosind litera latină majusculă D, iar în sistemul SI se măsoară în metri pătrați pe secundă (m² / s), uneori în centimetri pe secundă (cm 2 / m).

Coeficientul de difuzie este egal cu cantitatea de materie împrăștiată printr-o unitate de suprafață pe o unitate de timp, cu condiția ca diferența de densități pe ambele suprafețe (situate la o distanță egală cu o unitate de lungime) să fie egală cu unu. Criteriile care determină D sunt proprietățile substanței în care are loc însuși procesul de împrăștiere a particulelor și tipul acestora.

Dependența coeficientului de temperatură poate fi descrisă folosind ecuația Arrhenius: D = D 0exp (-E/TR).

În formula considerată, E este energia minimă necesară pentru activarea procesului; T - temperatura (măsurată în Kelvin, nu Celsius); R este constanta gazului caracteristică unui gaz ideal.

Pe lângă toate cele de mai sus, viteza de difuzie în solide, lichide în gaze este afectată de presiune și radiație (inductivă sau de înaltă frecvență). În plus, mult depinde de prezența unei substanțe catalitice, de multe ori acționând ca un mecanism de declanșare pentru începerea dispersiei active a particulelor.

Ecuația de difuzie

Acest fenomen este o formă particulară a unei ecuații diferențiale cu derivate parțiale.

Scopul său este de a găsi dependența concentrației unei substanțe de dimensiunea și coordonatele spațiului (în care difuzează), precum și de timp. În acest caz, coeficientul dat caracterizează permeabilitatea mediului pentru reacție.

Cel mai adesea, ecuația difuziei se scrie astfel: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .

În ea φ (t și r) este densitatea materialului de împrăștiere în punctul r la momentul t. D (φ, r) este coeficientul de difuzie generalizat la densitatea φ în punctul r.

∇ este un operator diferenţial vectorial ale cărui componente de coordonate sunt derivate parţiale.

Când coeficientul de difuzie este dependent de densitate, ecuația este neliniară. Când nu - liniar.

Luând în considerare definiția difuzării și caracteristicile acestui proces în diferite medii, se poate observa că are atât laturi pozitive, cât și negative.

În programa școlară de la cursul de fizică (aproximativ în clasa a VII-a), elevii învață că difuzia este un proces care este pătrunderea reciprocă a particulelor unei substanțe între particulele unei alte substanțe, în urma căruia concentrațiile sunt egalizate pe tot parcursul volumul ocupat. Aceasta este o definiție destul de dificil de înțeles. Pentru a înțelege ce este difuzia simplă, legea difuziei, ecuația ei, este necesar să se studieze în detaliu materialele pe aceste probleme. Cu toate acestea, dacă o idee generală este suficientă pentru o persoană, atunci datele de mai jos vor ajuta la obținerea cunoștințelor elementare.

Fenomenul fizic - ce este

Datorită faptului că mulți oameni confundă sau nu știu deloc ce este un fenomen fizic și cum diferă de unul chimic, precum și ce fel de fenomene aparține difuzia, este necesar să înțelegem ce este un fenomen fizic. Deci, după cum știe toată lumea, fizica este o știință independentă aparținând domeniului științelor naturale, care studiază legile naturale generale despre structura și mișcarea materiei și, de asemenea, studiază materia însăși. În consecință, un fenomen fizic este un astfel de fenomen, în urma căruia nu se formează substanțe noi, ci are loc doar o schimbare a structurii substanței. Diferența dintre un fenomen fizic și unul chimic constă tocmai în faptul că nu se obțin substanțe noi ca urmare. Astfel, difuzia este un fenomen fizic.

Definiția termenului difuzie

După cum știți, pot exista multe formulări ale unui concept, dar sensul general nu ar trebui să se schimbe. Și difuzia nu face excepție. Definiția generalizată este următoarea: difuzia este un fenomen fizic, care este pătrunderea reciprocă a particulelor (molecule, atomi) a două sau mai multe substanțe la o distribuție uniformă pe întregul volum ocupat de aceste substanțe. Ca urmare a difuziei, nu se formează substanțe noi, prin urmare este tocmai un fenomen fizic. Difuzia simplă se numește difuzie, ca urmare a căreia particulele se deplasează din regiunea de cea mai mare concentrație în regiunea de concentrație mai mică, care se datorează mișcării termice (haotice, browniene) a particulelor. Cu alte cuvinte, difuzia este un proces de amestecare a particulelor de diferite substanțe, iar particulele sunt distribuite uniform pe tot volumul. Aceasta este o definiție foarte simplificată, dar cea mai de înțeles.

Tipuri de difuzie

Difuzia poate fi fixată atât la observarea substanțelor gazoase și lichide, cât și a celor solide. Prin urmare, include mai multe tipuri:

• Difuzia cuantică este procesul de difuzie a particulelor sau a defectelor punctuale (tulburări locale în rețeaua cristalină a unei substanțe), care se realizează în solide. Încălcările locale sunt încălcări la un anumit punct al rețelei cristaline.

• Coloidal - difuzie care are loc în întregul volum al sistemului coloidal. Un sistem coloidal este un mediu în care sunt distribuite particule, bule, picături dintr-un alt mediu, care diferă ca stare agregată și compoziție față de primul. Astfel de sisteme, precum și procesele care au loc în ele, sunt studiate în detaliu în cursul chimiei coloide.
• Convectiv - transferul de microparticule ale unei substanțe de către macroparticulele mediului. O ramură specială a fizicii numită hidrodinamică se ocupă cu studiul mișcării mediilor continue. De acolo puteți obține cunoștințe despre stările fluxului.
• Difuzia turbulentă este procesul de transfer a unei substanțe în alta, datorită mișcării turbulente a celei de-a doua substanțe (tipic pentru gaze și lichide).

Se confirmă afirmația că difuzia poate avea loc atât în ​​gaze și lichide, cât și în solide.

Care este legea lui Fick?

Omul de știință german, fizicianul Fick, a dedus o lege care arată dependența densității fluxului de particule printr-o singură zonă de o modificare a concentrației unei substanțe pe unitatea de lungime. Această lege este legea difuziei. Legea poate fi formulată după cum urmează: fluxul de particule, care este direcționat de-a lungul axei, este proporțional cu derivata numărului de particule în raport cu variabila trasată de-a lungul axei în raport cu care este direcția fluxului de particule. determinat. Cu alte cuvinte, fluxul de particule care se mișcă în direcția axei este proporțional cu derivata numărului de particule în raport cu variabila, care este reprezentată de-a lungul aceleiași axe cu fluxul. Legea lui Fick vă permite să descrieți procesul de transfer al materiei în timp și spațiu.

Ecuația de difuzie

Când fluxurile sunt prezente într-o substanță, substanța în sine este redistribuită în spațiu. În acest sens, există mai multe ecuații care descriu acest proces de redistribuire din punct de vedere macroscopic. Ecuația difuziei este diferențială. Rezultă din ecuația generală a transferului de materie, care se mai numește și ecuația continuității. În prezența difuziei, se utilizează legea lui Fick, care este descrisă mai sus. Ecuația are următoarea formă:

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

Metode de difuzie

Metoda difuziei, sau mai degrabă metoda implementării acesteia în materiale solide, a fost utilizată pe scară largă în ultimii ani. Acest lucru se datorează avantajelor metodei, dintre care unul este simplitatea echipamentului utilizat și procesul în sine. Esența metodei de difuzie din surse solide este depunerea de pelicule dopate cu unul sau mai multe elemente pe semiconductori. Există câteva alte metode de implementare a difuziei, pe lângă metoda sursei solide:

• într-un volum închis (metoda fiolei). Toxicitatea minimă este un avantaj al metodei, dar costul ei ridicat, datorită posibilității de unică folosință a fiolei, este un dezavantaj semnificativ;
• într-un volum deschis (difuzie termică). Este exclusă posibilitatea utilizării multor elemente din cauza temperaturilor ridicate, precum și difuzia laterală sunt mari dezavantaje ale acestei metode;
• într-un volum parțial închis (metoda cutiei). Aceasta este o metodă intermediară între cele două descrise mai sus.

Pentru a afla mai multe despre metodele și caracteristicile difuzării, este necesar să se studieze literatura suplimentară dedicată în mod special acestor probleme.

Absolut toți oamenii au auzit despre un astfel de concept precum difuzarea. Acesta a fost unul dintre subiectele de la lecțiile de fizică de clasa a VII-a. În ciuda faptului că acest fenomen ne înconjoară absolut peste tot, puțini oameni știu despre el. Ce înseamnă oricum? Ce este sens fizicȘi cum poți să faci viața mai ușoară cu ea? Astăzi vom vorbi despre asta.

In contact cu

Difuzia în fizică: definiție

Acesta este procesul de penetrare a moleculelor unei substanțe între moleculele unei alte substanțe. În termeni simpli, acest proces poate fi numit amestecare. În timpul acesta amestecarea are loc pătrunderea reciprocă a moleculelor unei substanţe între ele. De exemplu, la prepararea cafelei, moleculele de cafea instant pătrund în moleculele de apă și invers.

Viteza acestui proces fizic depinde de următorii factori:

1. Temperatura.
2. Starea agregată a materiei.
3. Influență externă.

Cu cât temperatura unei substanțe este mai mare, cu atât moleculele se mișcă mai repede. Prin urmare, proces de amestecare apare mai repede la temperaturi mai ridicate.

starea agregată a materiei - cel mai important factor. În fiecare stare de agregare, moleculele se mișcă cu o anumită viteză.

Difuzia poate avea loc în următoarele stări de agregare:

1. Lichid.
2. Solid.

Cel mai probabil, cititorul va avea acum următoarele întrebări:

1. Care sunt cauzele difuziei?
2. Unde curge mai repede?
3. Cum se aplică în viața reală?

Răspunsurile la acestea pot fi găsite mai jos.

Cauze

Absolut totul pe lumea asta are propriul său motiv. Și difuzia nu face excepție. Fizicienii sunt bine conștienți de motivele apariției sale. Și cum să le transmitem persoanei obișnuite?

Cu siguranță toată lumea a auzit că moleculele sunt în continuă mișcare. Mai mult, această mișcare este dezordonată și haotică, iar viteza ei este foarte mare. Datorită acestei mișcări și ciocnirii constante a moleculelor, are loc pătrunderea lor reciprocă.

Există vreo dovadă pentru această mișcare? Cu siguranță! Îți amintești cât de repede ai început să simți mirosul de parfum sau deodorant? Și mirosul mâncării pe care mama ta o gătește în bucătărie? Amintește-ți cât de repede pregătirea ceaiului sau a cafelei. Toate acestea nu ar putea fi, dacă nu pentru mișcarea moleculelor. Concluzionăm că principalul motiv al difuziei este mișcarea constantă a moleculelor.

Acum rămâne o singură întrebare - care este motivul acestei mișcări? Este condus de dorința de echilibru. Adică, în substanță există zone cu concentrații mari și scăzute ale acestor particule. Și din cauza acestei dorințe, ei se deplasează în mod constant dintr-o zonă de concentrare mare la o concentrație scăzută. Sunt în mod constant se ciocnesc unul de altul, iar întrepătrunderea are loc.

Difuzia în gaze

Procesul de amestecare a particulelor în gaze este cel mai rapid. Poate apărea atât între gaze omogene, cât și între gaze cu concentrații diferite.

Exemple vii din viață:

1. Simți mirosul de odorizant prin difuzie.
2. Miroși mâncarea gătită. Rețineți că începeți să îl simțiți imediat, iar mirosul de odorizant după câteva secunde. Acest lucru se datorează faptului că la temperaturi ridicate viteza de mișcare a moleculelor este mai mare.
3. Lacrimi care apar atunci când tăiați ceapa. Moleculele de ceapă se amestecă cu moleculele de aer, iar ochii tăi reacționează la asta.

Cum are loc difuzia în lichide?

Difuzia în lichide are loc mai lent. Poate dura de la câteva minute la câteva ore.

Cele mai strălucitoare exemple din viață:

1. Prepararea ceaiului sau a cafelei.
2. Se amestecă apă și permanganat de potasiu.
3. Pregătirea unei soluții de sare sau sifon.

În aceste cazuri, difuzia are loc foarte rapid (până la 10 minute). Cu toate acestea, dacă procesului se aplică o influență externă, de exemplu, amestecând aceste soluții cu o lingură, atunci procesul va merge mult mai repede și nu va dura mai mult de un minut.

Difuzia la amestecarea lichidelor mai groase va dura mult mai mult. De exemplu, amestecarea a două metale lichide poate dura câteva ore. Desigur, puteți face acest lucru în câteva minute, dar în acest caz se va dovedi aliaj de proastă calitate.

De exemplu, difuzarea la amestecarea maionezei cu smântâna va dura foarte mult timp. Cu toate acestea, dacă apelați la ajutorul influenței externe, atunci acest proces nu va dura nici măcar un minut.

Difuzia în solide: exemple

În solide, pătrunderea reciprocă a particulelor are loc foarte lent. Acest proces poate dura câțiva ani. Durata sa depinde de compoziția substanței și de structura rețelei sale cristaline.

Experimente care demonstrează că există difuzie în solide.

1. Lipirea a două plăci din metale diferite. Dacă aceste două plăci sunt ținute strâns împreună și sub presiune, în cinci ani va exista un strat între ele având o lățime de 1 milimetru. Acest strat mic va conține molecule ale ambelor metale. Aceste două plăci vor fi îmbinate.
2. Un strat foarte subțire de aur este aplicat pe un cilindru subțire de plumb. După aceea, acest design este introdus într-un cuptor timp de 10 zile. Temperatura aerului din cuptor este de 200 de grade Celsius. După ce acest cilindru a fost tăiat în discuri subțiri, s-a văzut foarte clar că plumbul a pătruns în aur și invers.

Exemple de difuzie în lumea înconjurătoare

După cum ați înțeles deja, cu cât mediul este mai dur, cu atât rata de amestecare a moleculelor este mai mică. Acum haideți să vorbim despre unde în viața reală puteți obține beneficii practice din acest fenomen fizic.

Procesul de difuzie are loc în viața noastră tot timpul. Chiar și atunci când stăm întinși pe pat, pe suprafața cearșafului rămâne un strat foarte subțire al pielii noastre. De asemenea, absoarbe transpirația. Din această cauză patul se murdărește și trebuie schimbat.

Deci, manifestarea acestui proces în viața de zi cu zi poate fi după cum urmează:

1. Când se întinde untul pe pâine, acesta este absorbit în el.
2. La murarea castraveților, sarea difuzează mai întâi cu apă, după care apa sărată începe să se difuzeze cu castraveți. Drept urmare, obținem o gustare delicioasă. Băncile trebuie să fie suflate. Acest lucru este necesar pentru ca apa să nu se evapore. Mai exact, moleculele de apă nu ar trebui să difuzeze cu moleculele de aer.
3. La spălarea vaselor, moleculele de apă și detergent pătrund în moleculele bucăților de mâncare rămase. Acest lucru îi ajută să se desprindă de pe farfurie și să o facă mai curată.

Manifestarea difuziei în natură:

1. Procesul de fertilizare are loc tocmai datorită acestui fenomen fizic. Moleculele ovulului și spermatozoizilor difuzează, după care apare embrionul.
2. Fertilizarea solului. Prin utilizarea anumitor substanțe chimice sau a compostului, solul devine mai fertil. De ce se întâmplă asta? Concluzia este că moleculele de îngrășământ difuzează cu moleculele de sol. După aceea, are loc procesul de difuzie între moleculele solului și rădăcina plantei. Datorită acestui fapt, sezonul va fi mai rodnic.
3. Amestecarea deșeurilor industriale cu aerul îl poluează foarte mult. Din această cauză, pe o rază de un kilometru, aerul devine foarte murdar. Moleculele sale difuzează cu molecule de aer curat din zonele învecinate. Așa se înrăutățește situația ecologică din oraș.

Manifestarea acestui proces în industrie:

1. Siliconizarea este un proces de saturare prin difuzie cu siliciu. Se efectuează în atmosferă gazoasă. Stratul saturat de siliciu al piesei nu are duritate foarte mare, dar rezistență ridicată la coroziune și rezistență crescută la uzură în apă de mare, acizi azotic, clorhidric și sulfuric.
2. Difuzia în metale joacă un rol important în producerea aliajelor. Pentru a obține un aliaj de înaltă calitate, este necesar să se producă aliaje la temperaturi ridicate și cu influență externă. Acest lucru va accelera foarte mult procesul de difuzie.

Aceste procese apar în diferite industrii:

1. Electronic.
2. Semiconductor.
3. Inginerie.

După cum înțelegeți, procesul de difuzare poate avea atât efecte pozitive, cât și negative asupra vieții noastre. Trebuie să fiți capabil să vă gestionați viața și să maximizați beneficiile acestui fenomen fizic, precum și să minimizați daunele.

Acum știți care este esența unui astfel de fenomen fizic precum difuziunea. Constă în pătrunderea reciprocă a particulelor datorită mișcării lor. Totul în viață se mișcă. Dacă ești student, atunci după ce ai citit articolul nostru vei lua cu siguranță nota 5. Mult succes!