Među brojnim pojavama u fizici, proces difuzije je jedan od najjednostavnijih i najrazumljivijih. Uostalom, svako jutro, pripremajući sebi mirisni čaj ili kavu, osoba ima priliku promatrati ovu reakciju u praksi. Naučimo više o ovom procesu i uvjetima za njegovu pojavu u različitim agregatnim stanjima.
Što je difuzija
Ova se riječ odnosi na prodiranje molekula ili atoma jedne tvari između sličnih strukturnih jedinica druge. U tom slučaju se koncentracija penetrirajućih spojeva izravnava.
Ovaj proces prvi je detaljno opisao njemački znanstvenik Adolf Fick 1855.
Naziv ovog pojma nastao je od latinske glagolske imenice diffusio (interakcija, disperzija, distribucija).
Difuzija u tekućini
Proces koji se razmatra može se odvijati s tvarima u sva tri agregatna stanja: plinovito, tekuće i kruto. Za praktične primjere ovoga, samo pogledajtekuhinja.
Boršč kuhan u štednjaku je jedan od njih. Pod utjecajem temperature, molekule glukozina betanina (tvar zbog koje cikla ima tako bogatu grimiznu boju) ravnomjerno reagiraju s molekulama vode, dajući joj jedinstvenu tamnocrvenu nijansu. Ovaj slučaj je primjer difuzije u tekućinama.
Osim boršča, ovaj se proces može vidjeti i u čaši čaja ili kave. Oba ova pića imaju tako ujednačenu bogatu nijansu zbog činjenice da se listovi čaja ili čestice kave, otapajući se u vodi, ravnomjerno šire između svojih molekula, bojeći ga. Djelovanje svih popularnih instant napitaka devedesetih izgrađeno je na istom principu: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetracija plinova
Nastavljajući dalje tražiti manifestacije dotičnog procesa u kuhinji, vrijedi njuškati i uživati u ugodnoj aromi koja izbija iz buketa svježeg cvijeća na stolu za blagovanje. Zašto se to događa?
Atomi i molekule koje nose miris su u aktivnom kretanju i, kao rezultat toga, pomiješane su s česticama koje su već u zraku, te su prilično ravnomjerno raspršene u volumenu prostorije.
Ovo je manifestacija difuzije u plinovima. Vrijedi napomenuti da u proces koji se razmatra pripada i samo udisanje zraka, kao i ukusan miris svježe kuhanog boršča u kuhinji.
Difuzija u čvrstim tvarima
Kuhinjski stol s cvijećem prekriven je svijetlo žutim stolnjakom. Sličnu nijansu dobila je zahvaljujućisposobnost difuzije da prolazi kroz čvrste tvari.
Proces davanja ujednačene nijanse platnu odvija se u nekoliko faza kako slijedi.
- Čestice žutog pigmenta raspršene u spremniku tinte prema vlaknastom materijalu.
- Potom ih je apsorbirala vanjska površina obojene tkanine.
- Sljedeći korak bio je ponovno raspršivanje boje, ali ovaj put u vlakna mreže.
- U finalu je tkanina fiksirala čestice pigmenta i tako postala obojena.
Difuzija plinova u metalima
Obično, govoreći o ovom procesu, razmotrite interakciju tvari u istom agregacijskom stanju. Na primjer, difuzija u krutim tvarima, krutim tvarima. Da bi se dokazala ova pojava, provodi se pokus s dvije metalne ploče pritisnute jedna na drugu (zlato i olovo). Interpenetracija njihovih molekula traje dosta dugo (jedan milimetar u pet godina). Ovaj proces se koristi za izradu neobičnog nakita.
Međutim, spojevi u različitim agregatnim stanjima također su sposobni za difuziju. Na primjer, postoji difuzija plinova u čvrstim tvarima.
Tijekom eksperimenata je dokazano da se takav proces odvija u atomskom stanju. Da biste ga aktivirali, u pravilu vam je potrebno značajno povećanje temperature i tlaka.
Primjer takve difuzije plinova u krutim tvarima je vodikova korozija. Očituje se u situacijama kadaAtomi vodika (N2) koji su nastali tijekom neke kemijske reakcije pod utjecajem visokih temperatura (od 200 do 650 stupnjeva Celzija) prodiru između strukturnih čestica metala.
Osim vodika, difuzija kisika i drugih plinova također se može dogoditi u krutim tvarima. Taj proces, za oko neprimjetan, čini mnogo štete, jer se metalne konstrukcije zbog njega mogu urušiti.
Difuzija tekućina u metalima
Međutim, ne samo da molekule plina mogu prodrijeti u krute tvari, već iu tekućine. Kao i u slučaju vodika, ovaj proces najčešće dovodi do korozije (kada su metali u pitanju).
Klasičan primjer difuzije tekućine u krutim tvarima je korozija metala pod utjecajem vode (H2O) ili otopina elektrolita. Većini je ovaj proces poznatiji pod nazivom hrđanje. Za razliku od vodikove korozije, u praksi se ona mora susresti mnogo češće.
Uvjeti za ubrzavanje difuzije. Koeficijent difuzije
Nakon što smo se pozabavili tvarima u kojima se proces koji se razmatra može dogoditi, vrijedi naučiti o uvjetima za njegovo nastanak.
Prije svega, brzina difuzije ovisi o agregatnom stanju tvari koje djeluju. Što je veća gustoća materijala u kojem se reakcija odvija, to je njezina brzina sporija.
U tom smislu, difuzija u tekućinama i plinovima uvijek će biti aktivnija nego u čvrstim tvarima.
Na primjer, ako su kristalikalijev permanganat KMnO4 (kalijev permanganat) bacite u vodu, dat će joj lijepu boju maline za nekoliko minuta Boja. Međutim, ako pospite kristale KMnO4 na komad leda i sve to stavite u zamrzivač, nakon nekoliko sati, kalijev permanganat će ne mogu u potpunosti obojiti zamrznutu H 2O.
Iz prethodnog primjera može se izvući još jedan zaključak o uvjetima difuzije. Osim agregacijskog stanja, temperatura također utječe na brzinu međusobnog prožimanja čestica.
Da bismo razmotrili ovisnost procesa koji se razmatra o njemu, vrijedi naučiti o takvom konceptu kao što je koeficijent difuzije. Ovo je naziv kvantitativne karakteristike njegove brzine.
U većini formula označava se velikim latiničnim slovom D, a u SI sustavu mjeri se u kvadratnim metrima u sekundi (m² / s), ponekad u centimetrima u sekundi (cm2 /m).
Koeficijent difuzije jednak je količini tvari raspršene kroz jediničnu površinu tijekom jedinice vremena, pod uvjetom da je razlika gustoće na obje površine (koje se nalaze na udaljenosti jednakoj jediničnoj duljini) jednaka jedan. Kriteriji koji određuju D su svojstva tvari u kojoj se odvija sam proces raspršivanja čestica i njihova vrsta.
Ovisnost koeficijenta o temperaturi može se opisati pomoću Arrheniusove jednadžbe: D=D0exp(-E/TR).
U razmatranoj formuli E je minimalna energija potrebna za aktiviranje procesa; T - temperatura (mjerena u Kelvinima, a ne u Celzijusima); R-plinska konstanta karakteristika idealnog plina.
Uz sve navedeno, na brzinu difuzije u krutim tvarima, tekućinama u plinovima utječu tlak i zračenje (induktivno ili visokofrekventno). Osim toga, mnogo ovisi o prisutnosti katalitičke tvari, često ona djeluje kao okidač za početak aktivne disperzije čestica.
Difuzijska jednadžba
Ovaj fenomen je poseban oblik parcijalne diferencijalne jednadžbe.
Njegov cilj je pronaći ovisnost koncentracije tvari o veličini i koordinatama prostora (u kojem difundira), kao i o vremenu. U ovom slučaju, zadani koeficijent karakterizira propusnost medija za reakciju.
Najčešće se jednadžba difuzije piše na sljedeći način: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
U njemu je φ (t i r) gustoća raspršivača u točki r u trenutku t. D (φ, r) - generalizirani koeficijent difuzije pri gustoći φ u točki r.
∇ - vektorski diferencijalni operator čije su komponente parcijalne derivacije u koordinatama.
Kada je koeficijent difuzije ovisan o gustoći, jednadžba je nelinearna. Kad ne - linearno.
Razmatrajući definiciju difuzije i značajke ovog procesa u različitim okruženjima, može se primijetiti da on ima i pozitivne i negativne strane.
