Gazizová Guzel

„Kroky do vedy – 2016“

Stiahnuť ▼:

Náhľad:

Mestská rozpočtová vzdelávacia inštitúcia

"SOŠ Arsk č. 7" Arsky

Mestský obvod Republiky Tatarstan.

Republiková vedecká a praktická konferencia

„Kroky do vedy – 2016“

Sekcia: Fyzika a technická tvorivosť

Výskum

Predmet: Pozorovanie difúzie vo vode a vplyvu teploty na rýchlosť difúzie.

pozícia.

Gazizová Guzel Robertovna Zinnatullin Fidaris Faisalovich

Žiak 7. ročníka, učiteľ fyziky, 1. kv. Kategórie.

2016

1. Úvodná stránka 3

1. Výskumný problém
2. Relevantnosť témy a praktický význam štúdie
3. Predmet a predmet skúmania
4. Ciele a ciele
5. Výskumná hypotéza

1. Hlavná časť výskumnej práce Strana 5

1. Opis miesta a podmienok pozorovaní a pokusov
2. Metodológia výskumu, jej validita
3. Hlavné výsledky experimentu
4. Zovšeobecnenie a závery

1. Záver Strana 6
2. Referencie Strana 7

Difúzia (lat. diffusio - šírenie, šírenie, rozptyl, interakcia) je proces vzájomného prenikania molekúl alebo atómov jednej látky medzi molekulami alebo atómami inej látky, čo vedie k samovoľnému vyrovnaniu ich koncentrácií v celom obsadenom objeme. V niektorých situáciách má jedna z látok už rovnakú koncentráciu a hovorí sa o difúzii jednej látky v druhej. V tomto prípade dochádza k prenosu látky z oblasti s vysokou koncentráciou do oblasti s nízkou koncentráciou.

Ak sa voda opatrne naleje do roztoku síranu meďnatého, potom sa medzi oboma vrstvami vytvorí číre rozhranie (síran meďnatý je ťažší ako voda). Ale o dva dni bude v nádobe homogénna kvapalina. Toto sa deje úplne náhodne.

Ďalší príklad súvisí s pevným telesom: ak je jeden koniec tyče zahriaty alebo elektricky nabitý, teplo (resp. elektrický prúd) sa šíri z horúcej (nabitej) časti do studenej (nenabitej). V prípade kovovej tyče sa tepelná difúzia vyvíja rýchlo a prúd tečie takmer okamžite. Ak je tyč vyrobená zo syntetického materiálu, tepelná difúzia je pomalá a difúzia elektricky nabitých častíc je veľmi pomalá. Difúzia molekúl prebieha vo všeobecnosti ešte pomalšie. Napríklad, ak sa kúsok cukru spustí na dno pohára vody a voda sa nemieša, bude trvať niekoľko týždňov, kým sa roztok stane homogénnym. Ešte pomalšia je difúzia jednej pevnej látky do druhej. Napríklad, ak je meď pokrytá zlatom, tak zlato do medi difunduje, no za normálnych podmienok (izbová teplota a atmosférický tlak) dosiahne zlatonosná vrstva hrúbku niekoľkých mikrometrov až po niekoľkých tisíckach rokov.

Prvý kvantitatívny popis difúznych procesov podal nemecký fyziológ A. Fick v roku 1855.

Difúzia prebieha v plynoch, kvapalinách a pevných látkach a môžu difundovať ako častice cudzorodých látok v nich, tak aj ich vlastné častice.

Difúzia v ľudskom živote

Pri štúdiu fenoménu difúzie som dospel k záveru, že práve vďaka tomuto fenoménu človek žije. Koniec koncov, ako viete, vzduch, ktorý dýchame, pozostáva zo zmesi plynov: dusíka, kyslíka, oxidu uhličitého a vodnej pary. Nachádza sa v troposfére – v spodnej vrstve atmosféry. Ak by neexistovali difúzne procesy, potom by sa naša atmosféra jednoducho rozvrstvila pôsobením gravitácie, ktorá pôsobí na všetky telesá nachádzajúce sa na povrchu Zeme alebo v jej blízkosti, vrátane molekúl vzduchu. Na dne by bola ťažšia vrstva oxidu uhličitého, nad ňou kyslík, nad ňou dusík a inertné plyny. Ale pre normálny život potrebujeme kyslík, nie oxid uhličitý. K difúzii dochádza aj v samotnom ľudskom tele. Ľudské dýchanie a trávenie je založené na difúzii. Ak hovoríme o dýchaní, potom v krvných cievach opletiacich alveoly je v každom okamihu približne 70 ml krvi, z ktorej oxid uhličitý difunduje do alveol a kyslík difunduje opačným smerom. Obrovský povrch alveol umožňuje zmenšiť hrúbku vrstvy plynov na výmenu krvi s intraalveolárnym vzduchom na 1 mikrón, čo umožňuje nasýtiť toto množstvo krvi kyslíkom a zbaviť ho prebytočného oxidu uhličitého za menej ako 1 sekunda.

Tento jav pôsobí aj na ľudský organizmus – vzdušný kyslík preniká difúziou cez steny alveol do krvných vlásočníc pľúc a následne sa v nich rozpúšťa, šíri sa do celého tela a obohacuje ho o kyslík.

Difúzia sa používa v mnohých technologických procesoch: solenie, výroba cukru (hobliny cukrovej repy sa premývajú vodou, molekuly cukru difundujú z hoblín do roztoku), varenie lekváru, farbenie látok, pranie, nauhličovanie, zváranie a spájkovanie kovov vrátane difúzie zváranie vo vákuu (zvárajú sa kovy, ktoré sa nedajú spájať inými metódami - oceľ s liatinou, striebro s nerezom a pod.) a difúzna metalizácia výrobkov (sýtenie povrchu výrobkov z ocele hliníkom, chrómom, kremíkom), nitridácia - saturácia povrchu ocele dusíkom (oceľ sa stáva tvrdou, odolnou voči opotrebovaniu), cementácia - nasýtenie oceľových výrobkov uhlíkom, kyanidácia - nasýtenie povrchu ocele uhlíkom a dusíkom.

Ako vidno z vyššie uvedených príkladov, difúzne procesy zohrávajú v živote ľudí veľmi dôležitú úlohu.

problém: Prečo difúzia prebieha odlišne pri rôznych teplotách?

Relevantnosť Toto štúdium vidím v tom, že téma „Difúzia v kvapalnom, pevnom a plynnom skupenstve“ je životne dôležitá nielen pre kurz fyziky. Znalosť difúzie sa mi môže hodiť v každodennom živote. Tieto informácie Vám pomôžu pripraviť sa na skúšku z fyziky pre kurz základných a stredných škôl. Táto téma sa mi veľmi páčila a rozhodol som sa ju preštudovať hlbšie.

Predmet môjho výskumuje difúzia, ktorá sa vyskytuje vo vode pri rôznych teplotách, apredmet štúdia– pozorovania pomocou experimentov pri rôznych teplotách režimov.

Cieľ:

1. Rozšíriť poznatky o difúzii, jej závislosti od rôznych faktorov.
2. Vysvetlite fyzikálnu podstatu javu difúzie na základe molekulárnej štruktúry hmoty.
3. Zistite závislosť rýchlosti difúzie od teploty v miešateľných kvapalinách.
4. Potvrďte teoretické fakty experimentálnymi výsledkami.
5. Zhrňte získané poznatky a vypracujte odporúčania.

Ciele výskumu:

1. Preskúmajte rýchlosť difúzie vo vode pri rôznych teplotách.
2. Dokážte, že odparovanie kvapaliny je výsledkom pohybu molekúl

hypotéza: Pri vysokých teplotách sa molekuly pohybujú rýchlejšie a vďaka tomu sa rýchlejšie miešajú.

Hlavná časť výskumnej práce

Na môj výskum som si vzal dva poháre. Do jednej nalial teplú a do druhej studenú. Zároveň do nich pustil vrecúško čaju. Teplá voda zhnedla rýchlejšie ako studená. Je známe, že v teplej vode sa molekuly pohybujú rýchlejšie, pretože ich rýchlosť závisí od teploty. To znamená, že molekuly čaju rýchlo preniknú medzi molekuly vody. V studenej vode je rýchlosť molekúl pomalá, takže fenomén difúzie tu prebieha pomalšie. Fenomén prenikania molekúl jednej látky medzi molekuly druhej sa nazýva difúzia.

Potom som rovnaké množstvo vody nalial do dvoch pohárov. Jeden pohár som nechal na stole v izbe a druhý som dal do chladničky. O päť hodín neskôr som porovnal hladinu vody. Ukázalo sa, že v pohári z chladničky sa hladina prakticky nezmenila. V druhom - úroveň sa výrazne znížila. Je to spôsobené pohybom molekúl. A čím je väčšia, tým vyššia je teplota. Pri vyššej rýchlosti molekuly vody, ktoré sa blížia k povrchu, „vyskočia“. Tento pohyb molekúl sa nazýva vyparovanie. Skúsenosti ukázali, že pri vyšších teplotách prebieha vyparovanie rýchlejšie, keďže čím rýchlejšie sa molekuly pohybujú, tým viac molekúl súčasne odlieta z kvapaliny. V studenej vode sú otáčky nízke, preto zostávajú v pohári.

záver:

Na základe experimentu a pozorovaní difúzie vo vode pri rôznych teplotách som sa presvedčil, že teplota silne ovplyvňuje rýchlosť molekúl. Dôkazom toho boli rôzne stupne odparovania. Čím je látka teplejšia, tým je rýchlosť molekúl väčšia. Čím je chladnejšie, tým je rýchlosť molekúl nižšia. Preto bude difúzia v kvapalinách prebiehať rýchlejšie pri vysokej teplote.

Literatúra:

1. A. V. Peryshkin. 7. ročník z fyziky. M.: Drop, 2011.
2. Knižnica "Prvý september". M.: "Prvý september", 2002.
3. Biofyzika na hodinách fyziky. Z pracovných skúseností. M., "Osvietenie", 1984.

DIFÚZIA(z lat. diffusio - šírenie, šírenie, rozptyl) - nerovnovážny proces spôsobený molekulárnym tepelným pohybom a vedúci k nastoleniu rovnovážneho rozdelenia koncentrácií v rámci fáz. V dôsledku D. dochádza k chemickému zarovnaniu. potenciály zložiek zmesi. V jednofázovom systéme s jednosmerným prúdom. temp-re a absencia externého. D. sily vyrovnáva koncentráciu každej zložky fázy v celom objeme celého systému. Ak temp-pa nie je konštantná alebo je systém ovplyvnený vonkajšími vplyvmi. sily, potom sa v dôsledku D. vytvorí priestorovo nerovnomerné rovnovážne rozloženie koncentrácií každej zo zložiek (pozri obr. Tepelná difúzia, Elektrodifúzia).

(2. Fickov zákon). Mat. teória ur-tion D. sa zhoduje s teóriou rovnica vedenia tepla.

Pre zmes zložky difúzny tok každej zložky j i, podľa termodynamiky ireverzibilných procesov, je určená gradientmi chemikálie. potenciály všetkých P zložky zmesi:

kde ako- kinetický koeficient Onsager, ktoré majú tenzorový charakter a proporcionálne koeficienty. D. zložky zmesi (index znamená, že D. i-tá zložka vzhľadom na k th). Chemické gradienty. potenciály sa berú na fixné. temp-re T. Výraz (4) je špeciálny prípad Onsagerových lineárnych vzťahov medzi termodynamikou. silami D. a difúzne toky. Podľa Onsagerovho princípu (porov. Onsagerova veta), pri absencii magnetu. polia .

Medzi gradientmi chem. iba potenciály n- 1 nezávislé, možno ich vyjadriť pomocou koncentračných gradientov pomocou Gibbs - Duhemove rovnice a predstavujú difúzny tok vo forme

kde Dik- tenzorový koeficient. D. Jeho diagonálne prvky určujú priame procesy D., zatiaľ čo mimodiagonálne prvky určujú procesy krížovej difúzie. Onsager vzťahy pre Dik sú zložitejšie ako pre ako. Pre binárnu zmes koeficient D 11 je spojený s koeficientom. Onsager L pomer 11

V procese D. dochádza k zvýšeniu entropie a produkcia entropie za jednotku času je:

Ak je zmes komponentov ovplyvnená ext. silu F k(napríklad gravitačný a inerciálny), potom sa jav D. výrazne mení. Pretože tlakový gradient závisí od vonkajšieho sily F k, potom termodynamika sily nie sú len chemické gradienty. potenciálov, ale aj odstredivej sily a gravitačnej sily a dochádza k barodifúzii. Zároveň termodynamika rovnováha zodpovedá stacionárnemu nehomogénnemu rozdeleniu koncentrácií. D. proces má tendenciu stanoviť túto distribúciu. Tento proces umožňuje stanovenie molekulových hmotností z sedimentácia v odstredivom poli v ultracentrifúge.

Difúzia v pevných látkach. D. proces v pevných látkach možno uskutočniť pomocou niekoľkých. mechanizmy: výmena miest atómov kryštal. štruktúry s ním voľných pracovných miest, pohyb atómov pozdĺž medzier (pozri intersticiálny atóm), súčasný cyklický pohyb niekoľkých. atómov, výmena miest dvoch susedných atómov. Pri tvorbe substitučných tuhých roztokov prevláda výmena pozícií atómov a vakancií.

Coef. D. v tuhých látkach je veľmi závislá od štrukturálnych defektov, zvyšuje sa s nárastom ich počtu. D. v pevných látkach sa vyznačuje exponenciálnou. závislosť od teploty s aktivačnou energiou väčšou ako u kvapalín. Coef. D. pre zinok na meď sa zvyšuje 10-14 krát so zvýšením teploty z 30 o C na 300 o C.

mikroskopické Teóriu atómovej dislokácie, založenú na mechanizme skokov cez voľné miesta, vypracoval Ya. I. Frenkel. Substitúcia atómom kryštálu. štruktúra voľného miesta je spojená s možnosťou jeho prechodu cez potenciál. bariéra. Predpokladá sa, že po prechode atómu na vakanciu má vďaka svojej silnej interakcii so susednými atómami čas odovzdať časť energie, kým sa vráti na svoje pôvodné miesto. Doba zotrvania daného atómu na mieste susediacom s vakanciou je

kde je čas rádu periódy kryštalizovaných atómov. štruktúry zodpovedajúce akustickej frekvencii. spektrum (-10-13 s). Potom koeficient samodifúzia bude mať formu

kde - aktivačná energia, a- mriežková konštanta, U je energia tvorby voľných miest. Pre dif. mriežky W sa veľmi nelíšia (napríklad pre olovo W 26 kcal/g*atóm pre meď W 60 kcal / g * atóm) a a a vo f-le (12) sa môžu značne líšiť. Coef. D. v pevných látkach možno odhadnúť aj pomocou Eyringovej teórie reakčných rýchlostí, čo tiež vedie k exponenciálnemu. v závislosti od teploty-ry s aktivačnou energiou. Podobná teória bola vyvinutá pre D. v neusporiadaných substitučných zliatinách, umožnila zohľadniť vplyv intersticiálnych atómov na samodifúziu kovu, keď D. už nie je opísaný jediným exponentom, keďže na miestach s dekomp. konfiguráciu atómov treba prekonať dif. potentný. bariéry. V prípade, keď D. prechádza výmenou s voľnými pracovnými miestami alebo súčasne. pohyb v uzavretej slučke a koeficient. D. komponent D1 a D2 rôzne, vzniká výsledný tok hmoty v smere hmoty s veľkým parciálnym koeficientom. D., proporcionálne (Kirkendallov efekt).

Fenomén prenosu neutrónov v kondenzátoroch. prostredia, sprevádzané viacnásobným rozptylom, opisuje kinetic. rovnica, ktorá sa vo všeobecnosti neredukuje na rovnicu D., difúzna aproximácia je však často užitočná pri zvažovaní neutrónová difúzia.

Pri veľmi nízkej teplote v kondenzátoroch. prostredia je možné kvantová difúzia atómov, ktorý je na rozdiel od klas. D., ktorý je určený nadbariérovými prechodmi atómov. Stvorenia. Rozdiel medzi kvantovým D. je v tom, že koeficient. kvantová D. je odlišná od nuly, keď sa teplota blíži k nule, jej hodnota je mnohými. objedná viac ako je koeficient. klasický D. pri rovnakej teplote.

Iné typy difúzií. Difúzne procesy zahŕňajú aj určité javy, ktoré nie sú spojené s prenosom častíc. Takže v optike žiarenie prebieha v nehomogénnom prostredí počas viacerých procesov emisie a absorpcie fotónov, rez tzv. difúzia žiarenia Tento jav je však výrazne odlišný od častíc D., keďže bilančná rovnica pre hustotu toku fotónov je opísaná integrálom. ur-tion, rez nie je redukovaný na diferenciál. ur-tion D. V spinových systémoch v magn. možný proces vyrovnávania poľa porov. magn. moment v priestore pod vplyvom spin-spin interakcie - spinová difúzia.

Lit.: 1) Groot S. de, Mazur P., Nerovnováha, prekl. z angličtiny, M., 1964, Ch. jedenásť; 2) Haase R., Termodynamika ireverzibilných procesov, trans. z nemčiny, M., 1967, kap. 4; 3) Chapman S., Cowling T., Matematická teória nehomogénnych plynov, trans. z angličtiny, M., 1960, Ch. 10, 14; 4) Ferziger J., Kaper G., Matematická teória transportných procesov v plynoch, prekl. z angličtiny, M., 1976; 5) Ya.I. Frenkel, Kinetická teória kvapalín. L., 1975; 6) Girshfelder J., Curtiss Ch., Byrd R., Molekulárna teória plynov a kvapalín, trans. z angličtiny, M., 1961, Ch. deväť; 7) Gray P., Kinetická teória transportných javov v jednoduchých kvapalinách, in: Fyzika jednoduchých kvapalín. Štatistická teória, prekl. z angličtiny, M., 1971; 8) Smirnov A. A., Molekulárno-kinetická teória kovov, M., 1966, kap. osem; S) Andreev A. F., Lifshitz I. M., Kvantová teória defektov v kryštáloch, ZhETF, 1969, v. 56, s. 2057; 10) Kagan Yu., Klinger M.I., Teória kvantovej difúzie atómov v kryštáloch, "J. Phys. C", 1974, v. 7, str. 2791; 11) Lifshits E.M., Pitaevsky L.P., Physical kinetics, M., 1979, str. 11, 12; 12) Landau L.D., Lifshitz E.M., Hydrodynamika, 3. vydanie, M., 1986, str.

D. P. Zubarev.

Medzi početnými javmi vo fyzike je proces difúzie jedným z najjednoduchších a najzrozumiteľnejších. Koniec koncov, každé ráno, keď si pripravuje voňavý čaj alebo kávu, má človek možnosť pozorovať túto reakciu v praxi. Poďme sa dozvedieť viac o tomto procese a podmienkach jeho výskytu v rôznych stavoch agregácie.

Čo je difúzia

Toto slovo označuje prenikanie molekúl alebo atómov jednej látky medzi podobné štruktúrne jednotky inej látky. V tomto prípade je koncentrácia penetračných zlúčenín vyrovnaná.

Tento proces prvýkrát podrobne opísal nemecký vedec Adolf Fick v roku 1855.

Názov tohto termínu bol odvodený z latinského diffusio (interakcia, rozptyl, distribúcia).

Difúzia v kvapaline

Uvažovaný proces môže prebiehať s látkami vo všetkých troch stavoch agregácie: plynnom, kvapalnom a tuhom. Ak chcete nájsť praktické príklady, stačí sa pozrieť do kuchyne.

Jedným z nich je aj boršč varený v sporáku. Vplyvom teploty molekuly glukozínu betanínu (látka, vďaka ktorej má repa takú bohatú šarlátovú farbu) rovnomerne reagujú s molekulami vody, čím získava jedinečný bordový odtieň. Toto puzdro je v kvapalinách.

Okrem boršču je tento proces vidieť aj v pohári čaju alebo kávy. Oba tieto nápoje majú taký jednotný sýty odtieň vďaka tomu, že čajové lístky alebo čiastočky kávy, rozpustené vo vode, sa rovnomerne rozprestierajú medzi jej molekulami a farbia ju. Akcia všetkých obľúbených instantných nápojov deväťdesiatych rokov je postavená na rovnakom princípe: Yupi, Invite, Zuko.

Vzájomné prenikanie plynov

Atómy a molekuly prenášajúce zápach sú v aktívnom pohybe a v dôsledku toho sú zmiešané s časticami, ktoré sú už vo vzduchu, a sú pomerne rovnomerne rozptýlené po celom objeme miestnosti.

Ide o prejav difúzie v plynoch. Za zmienku stojí, že k uvažovanému procesu patrí aj samotné vdychovanie vzduchu, ako aj chutná vôňa čerstvo pripraveného boršču v kuchyni.

Difúzia v pevných látkach

Kuchynský stôl, na ktorom stoja kvety, je prikrytý žiarivo žltým obrusom. Dostala podobný odtieň vďaka schopnosti difúzie prebiehať v pevných látkach.

Proces dodávania plátna do určitého jednotného odtieňa prebieha v niekoľkých fázach nasledovne.

1. Častice žltého pigmentu difundovali v nádrži s farbivom smerom k vláknitému materiálu.
2. Potom boli absorbované vonkajším povrchom farbenej látky.
3. Ďalším krokom bola opäť difúzia farbiva, tentoraz však do vlákien látky.
4. Vo finále látka zafixovala čiastočky pigmentu, čím sa zafarbila.

Difúzia plynov v kovoch

Zvyčajne, keď hovoríme o tomto procese, zvážte interakciu látok v rovnakých agregovaných stavoch. Napríklad difúzia v pevných látkach, pevných látkach. Na preukázanie tohto javu sa uskutočňuje experiment s dvoma kovovými platňami pritlačenými proti sebe (zlatá a olovená). Vzájomný prienik ich molekúl trvá pomerne dlho (jeden milimeter za päť rokov). Tento proces sa používa na výrobu nezvyčajných šperkov.

Avšak zlúčeniny v rôznych agregovaných stavoch sú tiež schopné difúzie. Napríklad dochádza k difúzii plynov v pevných látkach.

Počas experimentov sa dokázalo, že podobný proces prebieha aj v atómovom stave. Na jeho aktiváciu je spravidla potrebné výrazné zvýšenie teploty a tlaku.

Príkladom takejto difúzie plynov v pevných látkach je vodíková korózia. Prejavuje sa v situáciách, keď atómy vodíka (H 2), ktoré vznikli pri nejakej chemickej reakcii pod vplyvom vysokých teplôt (od 200 do 650 stupňov Celzia), prenikajú medzi štruktúrne častice kovu.

Okrem vodíka sa v pevných látkach môže vyskytnúť aj difúzia kyslíka a iných plynov. Tento proces, ktorý je pre oko nepostrehnuteľný, prináša veľa škody, pretože kovové konštrukcie sa môžu kvôli nemu zrútiť.

Difúzia kvapalín v kovoch

Avšak nielen molekuly plynu môžu prenikať do pevných látok, ale aj kvapalín. Rovnako ako v prípade vodíka, najčastejšie tento proces vedie ku korózii (ak hovoríme o kovoch).

Klasickým príkladom difúzie kvapaliny v pevných látkach je korózia kovov vplyvom vody (H 2 O) alebo roztokov elektrolytov. Pre väčšinu je tento proces známy skôr pod názvom hrdzavenie. Na rozdiel od vodíkovej korózie sa s ňou v praxi musíme stretnúť oveľa častejšie.

Podmienky pre zrýchlenie difúzie. Difúzny koeficient

Po tom, čo sme sa zaoberali látkami, v ktorých sa môže uvažovaný proces vyskytnúť, stojí za to dozvedieť sa o podmienkach jeho výskytu.

Po prvé, rýchlosť difúzie závisí od stavu agregácie interagujúcich látok. Čím viac sa reakcia vyskytuje, tým je jej rýchlosť pomalšia.

V tomto ohľade bude difúzia v kvapalinách a plynoch vždy aktívnejšia ako v pevných látkach.

Ak sa napríklad kryštáliky manganistanu draselného KMnO 4 (manganistanu draselného) hodia do vody, dodajú jej v priebehu niekoľkých minút krásnu karmínovú farbu. Ak však kryštáliky KMnO 4 nasypete na kúsok ľadu a celé to vložíte do mrazničky, po niekoľkých hodinách už nebude manganistan draselný schopný úplne zafarbiť zmrazenú H 2 O.

Z predchádzajúceho príkladu možno vyvodiť ešte jeden záver o podmienkach difúzie. Rýchlosť vzájomného prenikania častíc ovplyvňuje okrem stavu agregácie aj teplota.

Aby sme zvážili závislosť posudzovaného procesu od toho, stojí za to dozvedieť sa o takom koncepte, ako je koeficient difúzie. Toto je názov kvantitatívnej charakteristiky jeho rýchlosti.

Vo väčšine vzorcov sa označuje veľkým latinským písmenom D a v systéme SI sa meria v metroch štvorcových za sekundu (m² / s), niekedy v centimetroch za sekundu (cm 2 / m).

Difúzny koeficient sa rovná množstvu hmoty rozptýlenej cez jednotkový povrch za jednotku času za predpokladu, že rozdiel hustôt na oboch povrchoch (umiestnených vo vzdialenosti rovnajúcej sa jednotkovej dĺžke) je rovný jednej. Kritériá, ktoré určujú D, sú vlastnosti látky, v ktorej prebieha samotný proces rozptylu častíc, a ich typ.

Závislosť koeficientu od teploty možno opísať pomocou Arrheniovej rovnice: D = D 0exp (-E/TR).

V uvažovanom vzorci je E minimálna energia potrebná na aktiváciu procesu; T - teplota (meraná v Kelvinoch, nie v stupňoch Celzia); R je charakteristika plynovej konštanty ideálneho plynu.

Okrem všetkého vyššie uvedeného ovplyvňuje rýchlosť difúzie v pevných látkach, kvapalinách v plynoch tlak a žiarenie (indukčné alebo vysokofrekvenčné). Okrem toho veľa závisí od prítomnosti katalytickej látky, ktorá často pôsobí ako spúšťací mechanizmus na spustenie aktívnej disperzie častíc.

Difúzna rovnica

Tento jav je zvláštnou formou diferenciálnej rovnice s parciálnymi deriváciami.

Jeho cieľom je nájsť závislosť koncentrácie látky od veľkosti a súradníc priestoru (v ktorom difunduje), ako aj od času. V tomto prípade daný koeficient charakterizuje priepustnosť média pre reakciu.

Najčastejšie sa difúzna rovnica zapisuje takto: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .

V ňom φ (t a r) je hustota rozptylového materiálu v bode r v čase t. D (φ, r) je zovšeobecnený difúzny koeficient pri hustote φ v bode r.

∇ je vektorový diferenciálny operátor, ktorého súradnicové zložky sú parciálne derivácie.

Keď je koeficient difúzie závislý od hustoty, rovnica je nelineárna. Keď nie - lineárne.

Po zvážení definície difúzie a vlastností tohto procesu v rôznych médiách možno poznamenať, že má pozitívne aj negatívne stránky.

V školských osnovách na predmete fyzika (približne v siedmom ročníku) sa žiaci učia, že difúzia je proces, pri ktorom dochádza k vzájomnému prenikaniu častíc jednej látky medzi častice inej látky, v dôsledku čoho dochádza k vyrovnávaniu koncentrácií v celom obsadený objem. Toto je dosť ťažko pochopiteľná definícia. Aby sme pochopili, čo je jednoduchá difúzia, zákon difúzie, jeho rovnica, je potrebné podrobne študovať materiály o týchto otázkach. Ak však človeku stačí všeobecná predstava, potom nižšie uvedené údaje pomôžu získať základné znalosti.

Fyzikálny jav - čo to je

Vzhľadom na to, že veľa ľudí si mýli alebo vôbec nevie, čo je fyzikálny jav a ako sa líši od chemického, ako aj to, k akým javom patrí difúzia, je potrebné pochopiť, čo je to fyzikálny jav. Takže, ako každý vie, fyzika je samostatná veda patriaca do oblasti prírodných vied, ktorá študuje všeobecné prírodné zákony o štruktúre a pohybe hmoty, ako aj hmotu samotnú. Fyzikálny jav je teda taký jav, v dôsledku ktorého nevznikajú žiadne nové látky, ale dochádza len k zmene štruktúry látky. Rozdiel medzi fyzikálnym javom a chemickým spočíva práve v tom, že sa tým nezískavajú žiadne nové látky. Difúzia je teda fyzikálny jav.

Definícia pojmu difúzia

Ako viete, môže existovať veľa formulácií pojmu, ale všeobecný význam by sa nemal meniť. A difúzia nie je výnimkou. Zovšeobecnená definícia je nasledovná: difúzia je fyzikálny jav, ktorým je vzájomné prenikanie častíc (molekúl, atómov) dvoch alebo viacerých látok k rovnomernej distribúcii po celom objeme, ktorý tieto látky zaberajú. V dôsledku difúzie nevznikajú žiadne nové látky, ide teda práve o fyzikálny jav. Jednoduchá difúzia sa nazýva difúzia, v dôsledku ktorej sa častice presúvajú z oblasti najvyššej koncentrácie do oblasti nižšej koncentrácie, čo je spôsobené tepelným (chaotickým, Brownovým) pohybom častíc. Inými slovami, difúzia je proces miešania častíc rôznych látok a častice sú rozdelené rovnomerne po celom objeme. Toto je veľmi zjednodušená definícia, ale najzrozumiteľnejšia.

Typy difúzie

Difúziu je možné fixovať tak pri pozorovaní plynných a kvapalných látok, ako aj pevných látok. Preto zahŕňa niekoľko typov:

• Kvantová difúzia je proces difúzie častíc alebo bodových defektov (lokálne poruchy v kryštálovej mriežke látky), ktorý sa uskutočňuje v pevných látkach. Lokálne porušenia sú porušenia v určitom bode kryštálovej mriežky.

• Koloidný - difúzia vyskytujúca sa v celom objeme koloidného systému. Koloidný systém je médium, v ktorom sú rozmiestnené častice, bubliny, kvapky iného média, ktoré sa líšia stavom agregátu a zložením od prvého. Takéto systémy, ako aj procesy, ktoré sa v nich vyskytujú, sa podrobne študujú v rámci koloidnej chémie.
• Konvekčný - prenos mikročastíc jednej látky makročasticami média. Štúdiom pohybu spojitých médií sa zaoberá špeciálny odbor fyziky zvaný hydrodynamika. Odtiaľ môžete získať informácie o stavoch toku.
• Turbulentná difúzia je proces prenosu jednej látky do druhej v dôsledku turbulentného pohybu druhej látky (typické pre plyny a kvapaliny).

Potvrdzuje sa tvrdenie, že difúzia môže prebiehať ako v plynoch a kvapalinách, tak aj v pevných látkach.

Aký je Fickov zákon?

Nemecký vedec, fyzik Fick, odvodil zákon ukazujúci závislosť hustoty toku častíc cez jednu oblasť od zmeny koncentrácie látky na jednotku dĺžky. Tento zákon je zákonom šírenia. Zákon možno formulovať takto: tok častíc, ktorý smeruje pozdĺž osi, je úmerný derivácii počtu častíc vzhľadom na premennú vynesenú pozdĺž osi, voči ktorej je smer toku častíc určený. Inými slovami, tok častíc pohybujúcich sa v smere osi je úmerný derivácii počtu častíc vzhľadom na premennú, ktorá je vynesená pozdĺž tej istej osi ako tok. Fickov zákon umožňuje opísať proces presunu hmoty v čase a priestore.

Difúzna rovnica

Keď sú v látke prítomné toky, samotná látka sa prerozdeľuje v priestore. V tejto súvislosti existuje niekoľko rovníc, ktoré popisujú tento proces prerozdeľovania z makroskopického hľadiska. Difúzna rovnica je diferenciálna. Vyplýva to zo všeobecnej rovnice pre prenos hmoty, ktorá sa nazýva aj rovnica kontinuity. V prítomnosti difúzie sa používa Fickov zákon, ktorý je popísaný vyššie. Rovnica má nasledujúci tvar:

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

Difúzne metódy

Difúzna metóda, respektíve spôsob jej implementácie do pevných materiálov, je v posledných rokoch široko používaný. Je to spôsobené výhodami metódy, jednou z ktorých je jednoduchosť použitého zariadenia a samotného procesu. Podstatou metódy difúzie z pevných zdrojov je nanášanie vrstiev dopovaných jedným alebo viacerými prvkami na polovodiče. Okrem metódy pevného zdroja existuje niekoľko ďalších metód na implementáciu difúzie:

• v uzavretom objeme (ampulková metóda). Minimálna toxicita je výhodou metódy, ale jej vysoká cena v dôsledku jednorazovej použiteľnosti ampulky je významnou nevýhodou;
• v otvorenom objeme (tepelná difúzia). Možnosť použitia mnohých prvkov v dôsledku vysokých teplôt je vylúčená, rovnako ako laterálna difúzia sú veľké nevýhody tejto metódy;
• v čiastočne uzavretom objeme (boxová metóda). Toto je prechodná metóda medzi dvoma vyššie opísanými metódami.

Aby sme sa dozvedeli viac o metódach a vlastnostiach difúzie, je potrebné preštudovať si ďalšiu literatúru venovanú špeciálne týmto problémom.

Absolútne všetci ľudia počuli o takom koncepte ako difúzia. Toto bola jedna z tém na hodinách fyziky v 7. ročníku. Napriek tomu, že nás tento fenomén obklopuje úplne všade, málokto o ňom vie. Čo to vlastne znamená? Čo je jeho fyzický význam A ako si s ním môžete uľahčiť život? Dnes o tom budeme hovoriť.

V kontakte s

Difúzia vo fyzike: definícia

Ide o proces prenikania molekúl jednej látky medzi molekuly inej látky. Zjednodušene možno tento proces nazvať miešaním. Počas tohto zmiešaním dochádza k vzájomnému prenikaniu molekúl látky medzi sebou. Napríklad pri príprave kávy molekuly instantnej kávy prenikajú do molekúl vody a naopak.

Rýchlosť tohto fyzického procesu závisí od nasledujúcich faktorov:

1. Teplota.
2. Súhrnný stav hmoty.
3. Vonkajší vplyv.

Čím vyššia je teplota látky, tým rýchlejšie sa molekuly pohybujú. teda proces miešania prebieha rýchlejšie pri vyšších teplotách.

Súhrnný stav hmoty - najdôležitejším faktorom. V každom stave agregácie sa molekuly pohybujú určitou rýchlosťou.

Difúzia môže prebiehať v nasledujúcich stavoch agregácie:

1. Kvapalina.
2. Pevné.

S najväčšou pravdepodobnosťou bude mať čitateľ teraz nasledujúce otázky:

1. Aké sú príčiny difúzie?
2. Kde tečie rýchlejšie?
3. Ako to platí v reálnom živote?

Odpovede na ne nájdete nižšie.

Príčiny

Absolútne všetko na tomto svete má svoj vlastný dôvod. A difúzia nie je výnimkou. Fyzici si dobre uvedomujú dôvody jeho výskytu. A ako ich sprostredkovať bežnému človeku?

Každý už určite počul, že molekuly sú v neustálom pohybe. Tento pohyb je navyše neusporiadaný a chaotický a jeho rýchlosť je veľmi vysoká. Vďaka tomuto pohybu a neustálemu stretu molekúl dochádza k ich vzájomnému prenikaniu.

Existujú nejaké dôkazy o tomto pohybe? Určite! Pamätáte si, ako rýchlo ste začali cítiť parfum alebo deodorant? A vôňa jedla, ktoré varí vaša mama v kuchyni? Pamätajte si, ako rýchlo príprava čaju alebo kávy. To všetko by nemohlo byť, ak nie pre pohyb molekúl. Dospeli sme k záveru, že hlavným dôvodom difúzie je neustály pohyb molekúl.

Teraz zostáva len jedna otázka - aký je dôvod tohto pohybu? Poháňa ho túžba po rovnováhe. To znamená, že v látke sú oblasti s vysokou a nízkou koncentráciou týchto častíc. A kvôli tejto túžbe sa neustále presúvajú z oblasti vysokej koncentrácie do oblasti nízkej koncentrácie. Sú neustále naraziť do seba a dochádza k vzájomnému prenikaniu.

Difúzia v plynoch

Proces miešania častíc v plynoch je najrýchlejší. Môže sa vyskytnúť tak medzi homogénnymi plynmi, ako aj medzi plynmi s rôznymi koncentráciami.

Živé príklady zo života:

1. Osviežovač vzduchu cítite difúziou.
2. Cítite vôňu vareného jedla. Všimnite si, že to začnete cítiť okamžite a vôňu osviežovača po niekoľkých sekundách. Je to spôsobené tým, že pri vysokých teplotách je rýchlosť pohybu molekúl väčšia.
3. Slzy, ktoré vznikajú pri krájaní cibule. Molekuly cibule sa miešajú s molekulami vzduchu a vaše oči na to reagujú.

Ako prebieha difúzia v kvapalinách?

Difúzia v kvapalinách prebieha pomalšie. Môže trvať niekoľko minút až niekoľko hodín.

Najjasnejšie príklady zo života:

1. Príprava čaju alebo kávy.
2. Miešanie vody a manganistanu draselného.
3. Príprava roztoku soli alebo sódy.

V týchto prípadoch prebieha difúzia veľmi rýchlo (do 10 minút). Ak sa však na proces aplikuje vonkajší vplyv, napríklad miešanie týchto roztokov lyžičkou, proces pôjde oveľa rýchlejšie a nebude trvať dlhšie ako jednu minútu.

Difúzia pri miešaní hustejších tekutín bude trvať oveľa dlhšie. Napríklad zmiešanie dvoch tekutých kovov môže trvať niekoľko hodín. Samozrejme, môžete to urobiť za pár minút, ale v tomto prípade sa to ukáže nekvalitná zliatina.

Napríklad difúzia pri miešaní majonézy a kyslej smotany bude trvať veľmi dlho. Ak sa však uchýlite k pomoci vonkajšieho vplyvu, tento proces nebude trvať ani minútu.

Difúzia v pevných látkach: príklady

V pevných látkach vzájomné prenikanie častíc prebieha veľmi pomaly. Tento proces môže trvať niekoľko rokov. Jeho trvanie závisí od zloženia látky a štruktúry jej kryštálovej mriežky.

Experimenty dokazujúce, že existuje difúzia v pevných látkach.

1. Nalepenie dvoch dosiek z rôznych kovov. Ak sú tieto dve dosky držané tesne pri sebe a pod tlakom, do piatich rokov medzi nimi vznikne vrstva so šírkou 1 milimeter. Táto malá vrstva bude obsahovať molekuly oboch kovov. Tieto dve dosky sa spoja.
2. Na tenký olovený valček je nanesená veľmi tenká vrstva zlata. Potom sa tento dizajn umiestni do pece na 10 dní. Teplota vzduchu v peci je 200 stupňov Celzia. Po rozrezaní tohto valca na tenké kotúče bolo veľmi jasne vidieť, že olovo preniklo do zlata a naopak.

Príklady difúzie v okolitom svete

Ako ste už pochopili, čím tvrdšie médium, tým nižšia je rýchlosť miešania molekúl. Teraz si povedzme, kde v reálnom živote môžete získať praktické výhody z tohto fyzikálneho javu.

Proces difúzie prebieha v našom živote neustále. Aj keď ležíme na posteli, na povrchu plachty zostáva veľmi tenká vrstva našej pokožky. Taktiež absorbuje pot. Práve kvôli tomu sa posteľ zašpiní a treba ju vymeniť.

Takže prejav tohto procesu v každodennom živote môže byť nasledovný:

1. Pri natieraní chleba na chlieb sa doň vpije.
2. Pri nakladaní uhoriek soľ najprv difunduje s vodou, potom slaná voda začne difundovať do uhoriek. V dôsledku toho získame chutné občerstvenie. Banky treba zrolovať. Je to potrebné, aby sa voda neodparila. Presnejšie povedané, molekuly vody by nemali difundovať s molekulami vzduchu.
3. Pri umývaní riadu molekuly vody a saponátu prenikajú do molekúl zvyšných kúskov jedla. To im pomáha zliezť z taniera a urobiť ho čistejším.

Prejav difúzie v prírode:

1. K procesu oplodnenia dochádza práve vďaka tomuto fyzikálnemu javu. Molekuly vajíčka a spermie difundujú, potom sa objaví embryo.
2. Hnojenie pôdy. Použitím určitých chemikálií alebo kompostu sa pôda stáva úrodnejšou. Prečo sa to deje? Pointa je, že molekuly hnojív difundujú s molekulami pôdy. Potom dochádza k procesu difúzie medzi molekulami pôdy a koreňom rastliny. Vďaka tomu bude sezóna plodnejšia.
3. Miešanie priemyselného odpadu so vzduchom ho značne znečisťuje. Z tohto dôvodu sa v okruhu jedného kilometra vzduch veľmi znečistí. Jeho molekuly difundujú s molekulami čistého vzduchu zo susedných oblastí. Takto sa zhoršuje ekologická situácia v meste.

Prejav tohto procesu v priemysle:

1. Silikónizácia je proces difúzneho nasýtenia kremíkom. Vykonáva sa v plynnej atmosfére. Kremíkom nasýtená vrstva dielu má nie veľmi vysokú tvrdosť, ale vysokú odolnosť proti korózii a zvýšenú odolnosť proti opotrebovaniu v morskej vode, kyseline dusičnej, chlorovodíkovej a sírovej.
2. Difúzia v kovoch hrá dôležitú úlohu pri výrobe zliatin. Na získanie kvalitnej zliatiny je potrebné vyrábať zliatiny pri vysokých teplotách a s vonkajším vplyvom. To značne urýchli proces difúzie.

Tieto procesy prebiehajú v rôznych priemyselných odvetviach:

1. Elektronické.
2. Polovodič.
3. Strojárstvo.

Ako viete, proces difúzie môže mať pozitívne aj negatívne účinky na naše životy. Musíte byť schopní riadiť svoj život a maximalizovať výhody tohto fyzického javu, ako aj minimalizovať škody.

Teraz viete, čo je podstatou takého fyzického javu, akým je difúzia. Spočíva vo vzájomnom prenikaní častíc v dôsledku ich pohybu. Všetko v živote sa hýbe. Ak ste študent, potom po prečítaní nášho článku určite dostanete známku 5. Veľa šťastia!