Difuzija kietosiose medžiagose, skysčiuose ir dujose: apibrėžimas, sąlygos

Tarp daugelio fizikos reiškinių - procesasdifuzija reiškia vieną iš paprasčiausių ir labiausiai suprantamų. Po kiekvieno ryto, paruošdami kvepiančią arbatą ar kavą, žmogus turi galimybę praktiškai stebėti šią reakciją. Sužinokime daugiau apie šį procesą ir jo sąlygas įvairiose agregavimo būsenose.

Kas yra sklaida?

Šis žodis reiškia vienos medžiagos molekulių arba atomų įsiskverbimą tarp panašių kitų struktūrinių vienetų. Prasiskverbiančių junginių koncentracija yra lygi.

Šis procesas pirmą kartą išsamiai aprašytas 1855 m. Vokietijos mokslininko Adolfo Fiko.

Šio termino pavadinimas kilęs iš lotyniško žodinio daiktavardžio diffusio (sąveika, dispersijos, paskirstymo).

Skysčio difuzija

Į klausimą procesas gali vykti medžiagų visų trijų būsenų: dujų, skystos ir kietos. Norėdami rasti praktinių pavyzdžių apie tai, tai verta virtuvėje išvaizdą.

Borsch ant viryklės yra vienas iš jų. Gliukozino betanino (medžiagos, dėl kurios runkeliai turi tokią prisotintą raudoną spalvą) molekulės temperatūros įtaka vienodai reaguoja su vandens molekulėmis, suteikdama jam unikalų bordo atspalvį. Šis atvejis yra difuzijos skysčiuose pavyzdys.

Be boršto, šį procesą galima pamatyti irstiklinė arbatos ar kavos. Abu šie gėrimai yra tokio tolygiai prisotinto atspalvio dėl to, kad suvirinimo ar kavos dalelės, ištirpdamos vandenyje, tolygiai paskirstomos tarp jo molekulių, dažomos. Tuo pačiu principu buvo pastatytas visų dešimtojo dešimtmečio populiarių greito gėrimų veiksmas: Yupi, Invite, Zuko.

Dujų sąveika

Toliau ieškant tolesnių proceso apraiškų virtuvėje, verta nuliūdinti ir mėgautis maloniu kvepiu, gauta iš šviežių gėlių puokštės ant valgomojo stalo. Kodėl tai vyksta?

Atomai ir molekulės, kurios turi kvapą, yra aktyvios judesys, todėl jie yra sumaišyti su jau esančiomis ore esančiomis dalelėmis ir pakankamai tolygiai išsklaidyti patalpos tūriui.

Tai yra iš dujų difuzijos apraiška. Verta paminėti, kad labai oro įkvėpus taip pat yra susijęs su procesu svarstomu, taip pat šviežiai parengtą patrauklus kvapo Borsch virtuvėje.

Difuzija kietosiose medžiagose

Virtuvės stalas, ant kurios yra gėlės, yra padengtas ryškiai geltonos spalvos staltiesiu. Šis atspalvis buvo gautas dėl difuzijos gebėjimo praleisti kietas medžiagas.

Vienas procesas dengiant drobę tam tikru atspalviu eina keliais etapais, kaip nurodyta toliau.

1. Geltonojo pigmento dalelės difuzuojamos dažymo talpykloje prie pluoštinės medžiagos.
2. Be to, jie buvo absorbuojami išoriniu dažytu audiniu.
3. Kitas žingsnis buvo spalvos difuzija, tačiau šį kartą jau buvo drobės pluošto viduje.
4. Galutiniame audinyje fiksuotos pigmento dalelės, taigi ir spalvos.

Dujų difuzija metaluose

Paprastai, kai kalbame apie šį procesą, apsvarstykitemedžiagų sąveika tose pačiose agregatinėse būklėse. Pavyzdžiui, kietųjų dalelių difuzija, kietos medžiagos. Norėdami įrodyti šį reiškinį, eksperimentas atliekamas su dviem metalinėmis plokštelėmis, suspaustomis kartu (auksu ir švinu). Molekulių sąveika trunka gana ilgą laiką (po milimetrą per penkerius metus). Šis procesas naudojamas neįprastų ornamentų gamybai.

Tačiau junginiai taip pat gali išsisklaidyti skirtingose ​​agregatų būsenose. Pavyzdžiui, yra dujų sklaidos kietosiose medžiagose.

Eksperimentų metu buvo įrodyta, kad toks procesas tęsiasi atominėje būsenoje. Norint aktyvuoti, paprastai reikia žymiai padidinti temperatūrą ir slėgį.

Tokios dujų difuzijos kietose medžiagose pavyzdys yra vandenilio korozija. Tai pasireiškia tais atvejais, kai vandenilio atomai susidaro cheminės reakcijos metu (H₂), esant aukštai temperatūrai (nuo 200 iki 650 laipsnių Celsijaus), prasiskverbia tarp metalo struktūrinių dalelių.

Be vandenilio, kietųjų dalelių difuzijojedeguonis ir kitos dujos taip pat gali atsirasti. Šis nepastebimas procesas atneša daug žalos, nes jis gali sugriauti metalines konstrukcijas.

Skysčių sklaidos metaluose sklaida

Tačiau ne tik dujų molekulės gali prasiskverbti į kietąsias medžiagas, bet ir skysčius. Kaip ir vandenilio atveju, dažniausiai šis procesas sukelia koroziją (kai kalbama apie metalus).

Klasikinis skysčių į kietąsias medžiagas sklaidos pavyzdys yra metalų korozija, veikiant vandeniu (H₂O) arba elektrolitų tirpalai. Daugeliui šis procesas yra labiau pažįstamas pagal rūdžių pavadinimą. Skirtingai nuo vandenilio korozijos, praktikoje reikia susidurti su tuo daug dažniau.

Sklaidos spartinimo sąlygos. Difuzijos koeficientas

Nagrinėjant chemines medžiagas, kuriose gali atsirasti nagrinėjamas procesas, verta sužinoti apie jo srauto sąlygas.

Visų pirma priklauso nuo difuzijos greitisBendrojo sąveikaujančių medžiagų būklė. Kuo didesnis medžiagos, kurioje vyksta reakcija, tankis, tuo lėtesnis jo greitis.

Todėl skysčių ir dujų sklaidos visada vyks aktyviau nei kietosiose medžiagose.

Pavyzdžiui, jei kalio permanganato KMnO kristalai_{4 (}kalio permanganatas₎ mesti į vandenį, jie suteiks jai gražią tamsiai spalvą per kelias minutes. Tačiau, jei pabarstyta KMnO kristalais₄ ledo gabaliuką ir padėkite jį visus į šaldiklį, po kelių valandų kalio permanganatas negali visiškai užpildyti šaldytuvo H₂O.

Iš ankstesnio pavyzdžio galime padaryti dar vieną išvadą apie difuzijos sąlygas. Be agregavimo būdo, dalelių tarpperveržiavimo greitis taip pat priklauso nuo temperatūros.

Atsižvelgiant į nagrinėjamo proceso priklausomybę nuo jo, verta sužinoti apie tokią sąvoką kaip difuzijos koeficientas. Tai yra jo greičio kiekybinės charakteristikos pavadinimas.

Daugumoje formulių jis žymimas didžiosios lotyniškos raidės D ir SI sistemoje matuojamas kvadratiniais metrais per sekundę (m² / s), kartais centimetrais per sekundę (cm²/ m).

Difuzijos koeficientas yra lygus medžiagos kiekiui,per laiko vienetą išsklaidytas per vienetinį paviršių, su sąlyga, kad abiejų paviršių tankis (esantis atstumu, lygiu vieneto ilgiui) yra lygus vienetui. Kriterijai, kuriais nustatomas D, yra medžiagos, kurioje atsiranda dalelių sklaidos procesas, savybės ir jų tipas.

Koeficiento priklausomybę nuo temperatūros galima apibūdinti taikant Arrhenius lygtį: D = D_0exp(-E / TR).

Aptariamoje formulėje E yra minimali energija, reikalinga procesui įjungti; T yra temperatūra (matuojama pagal Kelviną, o ne Celsijaus); R yra pastovios dujos, būdingos idealioms dujoms.

Be visų aukščiau išvardintų, greitisskysčiuose esančių kietųjų dalelių ir dujų skysčių įtaka slėgiui ir spinduliavimui (indukcija ar aukštas dažnis). Be to, daug kas priklauso nuo katalizatoriaus buvimo, dažnai tai veikia kaip aktyviosios dalelių sklaidos inicijavimo mechanizmas.

Difuzijos lygtis

Šis reiškinys yra ypatinga dalinės išvestinės diferencialinės lygties forma.

Jos tikslas yra rasti priklausomybę nuo koncentracijosmedžiaga iš erdvės matmenų ir koordinatės (kurioje ji išsklaido), taip pat laikas. Nurodytas koeficientas apibūdina reakcijos terpės pralaidumą.

Daugeliu atvejų, difuzijos lygtis užrašyti taip: ∂φ (R, T) / ∂ t = ∇ x [D (φ, R) ∇ φ (R, T)].

Jame φ (t ir r) yra išskaidytos medžiagos talpumas taške r metu t. D (φ, r) - difuzija yra apibendrintas koeficientas tankiui φ taške r.

∇ yra vektoriniu diferencialo operatorius, kurio komponentai yra susiję su dalinėmis išvestinėmis koordinatėmis.

Kai difuzijos koeficientas priklauso nuo tankio, lygtis yra nelinijinė. Kai ne - linijinis.

Atsižvelgdama į difuzijos apibrėžtį ir šio proceso ypatybes įvairiose terpėse, galima pastebėti, kad ji turi tiek teigiamą, tiek neigiamą pusę.