انتشار المواد الصلبة والسوائل والغازات: التعريف ، الشروط. موسوعة كبيرة عن النفط والغاز

لفهم ما يعتمد عليه الانتشار ، ضع في اعتبارك العوامل التي تؤثر عليه.

يعتمد الانتشار على درجة الحرارة. سيزداد معدل الانتشار مع زيادة درجة الحرارة ، لأنه مع ارتفاع درجة الحرارة ، ستزداد سرعة حركة الجزيئات ، أي أن الجزيئات ستختلط بشكل أسرع. (تعلمون جميعًا أن السكر يستغرق وقتًا طويلاً ليذوب في الماء البارد)

وعند الإضافة تأثير خارجي(يحرك الشخص السكر في الماء) سيستمر الانتشار بشكل أسرع. الحالة الإجمالية للمادةسيؤثر أيضًا على ما يعتمد عليه الانتشار ، أي معدل الانتشار. يعتمد الانتشار الحراري على نوع الجزيئات. على سبيل المثال ، إذا كان الجسم معدنًا ، فسيتم الانتشار الحراري بشكل أسرع ، على عكس ما إذا كان هذا الكائن مصنوعًا من مادة تركيبية. يحدث الانتشار بين المواد الصلبة ببطء شديد.

لذا فإن معدل الانتشار يعتمد على: درجة الحرارة ، والتركيز ، والتأثيرات الخارجية ، وحالة تجميع المادة

الانتشار له أهمية كبيرة في الطبيعة وفي حياة الإنسان.

أمثلة على الانتشار

لفهم ماهية الانتشار بشكل أفضل ، دعنا نلقي نظرة عليه بأمثلة ، لنقدم أمثلة على عملية الانتشار في الغازات معًا. يمكن أن تكون المتغيرات لمظهر هذه الظاهرة كما يلي:

نشر رائحة الزهور.

انتشار رائحة الدجاج المشوي التي يحبها أنوشكا كثيرًا ؛

دموع من تقطيع البصل.

أثر عطر يمكن الشعور به في الهواء.

الفجوات بين الجسيمات في الهواء كبيرة جدًا ، والجسيمات تتحرك بشكل عشوائي ، وبالتالي فإن انتشار المواد الغازية يحدث بسرعة كبيرة.

مثال بسيط ويمكن للجميع الوصول إليه عن انتشار المواد الصلبة هو أخذ قطعتين من البلاستيسين متعدد الألوان وعجنهما في يديك ولاحظ كيف تمتزج الألوان. وبالتالي ، بدون تأثير خارجي ، إذا ضغطت ببساطة على قطعتين معًا ، فسوف يستغرق الأمر شهورًا أو حتى سنوات حتى يختلط اللونان قليلاً على الأقل ، إذا جاز التعبير ، لاختراق واحد في واحد.

يمكن أن تكون متغيرات مظاهر الانتشار في السوائل على النحو التالي:

إذابة قطرة من الحبر في الماء ؛

- لون "الكتان الباهت" للأقمشة المبللة ؛

تمليح الخضار وعمل المربى

لذا، الانتشار هو خلط جزيئات المادة أثناء حركتها الحرارية العشوائية.

من بين الظواهر العديدة في الفيزياء ، تعتبر عملية الانتشار واحدة من أبسط الظواهر وأكثرها قابلية للفهم. بعد كل شيء ، كل صباح ، يحضر لنفسه الشاي أو القهوة العطرية ، لدى الشخص الفرصة لمراقبة رد الفعل هذا في الممارسة. دعنا نتعلم المزيد عن هذه العملية وشروط حدوثها في حالات التجميع المختلفة.

ما هو الانتشار

تشير هذه الكلمة إلى تغلغل جزيئات أو ذرات مادة بين وحدات هيكلية متشابهة لمادة أخرى. في هذه الحالة ، يتم تسوية تركيز المركبات المخترقة.

تم وصف هذه العملية لأول مرة بالتفصيل من قبل العالم الألماني أدولف فيك في عام 1855.

اسم هذا المصطلح مشتق من اللاتينية diffusio (تفاعل ، تشتت ، توزيع).

انتشار في السائل

يمكن أن تحدث العملية قيد النظر مع المواد الموجودة في جميع حالات التجميع الثلاث: الغازية والسائلة والصلبة. للعثور على أمثلة عملية لذلك ، انظر فقط إلى المطبخ.

البورشت المطبوخ هو واحد منهم. تحت تأثير درجة الحرارة ، تتفاعل جزيئات الجلوكوزين بيتانين (وهي مادة يكون للبنجر بسببها مثل هذا اللون القرمزي الغني) بالتساوي مع جزيئات الماء ، مما يمنحها لونًا بورجونديًا فريدًا. هذه الحالة في السوائل.

بالإضافة إلى البرش ، يمكن أيضًا رؤية هذه العملية في كوب من الشاي أو القهوة. كلا المشروبين لهما ظل غني موحد بسبب حقيقة أن أوراق الشاي أو جزيئات القهوة تذوب في الماء وتنتشر بالتساوي بين جزيئاتها وتلوينها. تم بناء عمل جميع المشروبات الفورية الشهيرة في التسعينيات على نفس المبدأ: Yupi و Invite و Zuko.

تداخل الغازات

الذرات والجزيئات الحاملة للرائحة في حالة حركة نشطة ، ونتيجة لذلك ، تختلط مع الجسيمات الموجودة بالفعل في الهواء ، وتنتشر بالتساوي في جميع أنحاء حجم الغرفة.

هذا مظهر من مظاهر الانتشار في الغازات. ومن الجدير بالذكر أن استنشاق الهواء ذاته ينتمي أيضًا إلى العملية قيد الدراسة ، بالإضافة إلى الرائحة الشهية للبورش الطازج في المطبخ.

انتشار المواد الصلبة

طاولة المطبخ ، التي تقف عليها الأزهار ، مغطاة بفرش طاولة أصفر فاتح. تلقت ظلًا مشابهًا نظرًا لقدرتها على الانتشار في المواد الصلبة.

تتم عملية إعطاء القماش بعض الظل الموحد على عدة مراحل على النحو التالي.

1. تنتشر جزيئات الصبغة الصفراء في خزان الصبغة باتجاه المادة الليفية.
2. ثم تم امتصاصها بواسطة السطح الخارجي للنسيج المصبوغ.
3. كانت الخطوة التالية هي نشر الصبغة مرة أخرى ، ولكن هذه المرة في ألياف النسيج.
4. في النهاية ، ثبت النسيج جزيئات الصبغة ، وبالتالي يصبح ملونًا.

انتشار الغازات في المعادن

عادة ، عند الحديث عن هذه العملية ، ضع في اعتبارك تفاعل المواد في نفس الحالات التجميعية. على سبيل المثال ، الانتشار في المواد الصلبة ، والمواد الصلبة. لإثبات هذه الظاهرة ، يتم إجراء تجربة بضغط لوحين معدنيين على بعضهما البعض (ذهب ورصاص). يستغرق تغلغل جزيئاتها وقتًا طويلاً (مليمتر واحد في خمس سنوات). تستخدم هذه العملية لصنع مجوهرات غير عادية.

ومع ذلك ، فإن المركبات في حالات التجميع المختلفة قادرة أيضًا على الانتشار. على سبيل المثال ، هناك انتشار للغازات في المواد الصلبة.

خلال التجارب ، ثبت أن عملية مماثلة تحدث في الحالة الذرية. لتنشيطه ، كقاعدة عامة ، يلزم زيادة كبيرة في درجة الحرارة والضغط.

مثال على هذا الانتشار الغازي في المواد الصلبة هو تآكل الهيدروجين. يتجلى في المواقف التي تكون فيها ذرات الهيدروجين (H 2) التي نشأت في سياق بعض التفاعلات الكيميائية تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة (من 200 إلى 650 درجة مئوية) تخترق بين الجسيمات الهيكلية للمعدن.

بالإضافة إلى الهيدروجين ، يمكن أن يحدث انتشار الأكسجين والغازات الأخرى أيضًا في المواد الصلبة. هذه العملية غير المحسوسة للعين تسبب الكثير من الضرر ، لأن الهياكل المعدنية يمكن أن تنهار بسببها.

انتشار السوائل في المعادن

ومع ذلك ، ليس فقط جزيئات الغاز يمكنها اختراق المواد الصلبة ، ولكن أيضًا السوائل. كما في حالة الهيدروجين ، غالبًا ما تؤدي هذه العملية إلى التآكل (إذا كنا نتحدث عن المعادن).

المثال الكلاسيكي لانتشار السوائل في المواد الصلبة هو تآكل المعادن تحت تأثير الماء (H 2 O) أو محاليل الإلكتروليت. بالنسبة لمعظم الناس ، هذه العملية مألوفة أكثر تحت اسم الصدأ. على عكس التآكل الهيدروجين ، فإنه من الناحية العملية يجب مواجهته في كثير من الأحيان.

شروط تسريع الانتشار. معامل الإنتشار

بعد التعامل مع المواد التي يمكن أن تحدث فيها العملية قيد النظر ، يجدر التعرف على شروط حدوثها.

بادئ ذي بدء ، يعتمد معدل الانتشار على حالة تجمع المواد المتفاعلة. كلما حدث التفاعل ، كان معدله أبطأ.

في هذا الصدد ، سيكون الانتشار في السوائل والغازات دائمًا أكثر نشاطًا من المواد الصلبة.

على سبيل المثال ، إذا تم إلقاء بلورات برمنجنات البوتاسيوم KMnO 4 (برمنجنات البوتاسيوم) في الماء ، فإنها ستعطيها لونًا قرمزيًا جميلًا في غضون بضع دقائق. ومع ذلك ، إذا قمت برش بلورات KMnO 4 على قطعة من الثلج ووضعتها في الفريزر ، بعد بضع ساعات ، لن يتمكن برمنجنات البوتاسيوم من تلوين H 2 O المجمد بالكامل.

من المثال السابق ، يمكن استخلاص استنتاج آخر حول ظروف الانتشار. بالإضافة إلى حالة التجميع ، فإن معدل تغلغل الجسيمات يتأثر أيضًا بدرجة الحرارة.

للنظر في اعتماد العملية قيد النظر عليها ، يجدر التعرف على مفهوم مثل معامل الانتشار. هذا هو اسم الخاصية الكمية لسرعته.

في معظم الصيغ ، يتم الإشارة إليها باستخدام الحرف اللاتيني الكبير D وفي نظام SI يقاس بالمتر المربع في الثانية (م 2 / ث) ، وأحيانًا بالسنتيمتر في الثانية (سم 2 / م).

معامل الانتشار يساوي كمية المادة المتناثرة على سطح وحدة خلال وحدة زمنية ، بشرط أن يكون الاختلاف في الكثافات على كلا السطحين (الموجود على مسافة مساوية لوحدة الطول) يساوي واحدًا. المعايير التي تحدد D هي خصائص المادة التي تحدث فيها عملية تشتت الجسيمات نفسها ، ونوعها.

يمكن وصف اعتماد المعامل على درجة الحرارة باستخدام معادلة أرهينيوس: D = D 0exp (-E / TR).

في الصيغة المدروسة ، E هي الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لتنشيط العملية ؛ T - درجة الحرارة (تقاس بالكلفن وليس بالدرجة المئوية) ؛ R هو ثابت الغاز المميز للغاز المثالي.

بالإضافة إلى كل ما سبق ، فإن معدل الانتشار في المواد الصلبة والسوائل في الغازات يتأثر بالضغط والإشعاع (الحث أو التردد العالي). بالإضافة إلى ذلك ، يعتمد الكثير على وجود مادة حفازة ؛ وغالبًا ما يكون هو الذي يعمل كمحفز لبدء التشتت النشط للجسيمات.

معادلة الانتشار

هذه الظاهرة هي شكل خاص من المعادلة التفاضلية ذات المشتقات الجزئية.

هدفها هو العثور على اعتماد تركيز مادة ما على حجم وإحداثيات الفضاء (الذي تنتشر فيه) ، وكذلك الوقت. في هذه الحالة ، يميز المعامل المعطى نفاذية الوسط للتفاعل.

في أغلب الأحيان ، تتم كتابة معادلة الانتشار على النحو التالي: ∂φ (r ، t) / t = ∇ x.

فيه φ (t و r) هي كثافة مادة الانتثار عند النقطة r في الوقت t. D (φ ، r) هو معامل الانتشار المعمم عند الكثافة φ عند النقطة r.

∇ هو عامل تفاضلي متجه يكون مكوناته الإحداثية مشتقات جزئية.

عندما يعتمد معامل الانتشار على الكثافة ، تكون المعادلة غير خطية. عندما لا - خطي.

بعد النظر في تعريف الانتشار وخصائص هذه العملية في الوسائط المختلفة ، يمكن ملاحظة أن لها جوانب إيجابية وسلبية.

جيزوفا جوزيل

"خطوات نحو العلم - 2016"

تحميل:

معاينة:

مؤسسة تعليمية الميزانية البلدية

ارسك الثانوية رقم 7 ارسكي

المنطقة البلدية بجمهورية تتارستان.

المؤتمر العلمي والعملي الجمهوري

"خطوات نحو العلم - 2016"

القسم: الفيزياء والإبداع الفني

عمل بحثي

عنوان: مراقبة الانتشار في الماء وتأثير درجة الحرارة على معدل الانتشار.

مسمى وظيفي.

غزيزوفا جوزيل روبرتوفنا زيناتولين فيداريس فيصلوفيتش

طالب في الصف السابع مدرس فيزياء الربع الأول. التصنيفات.

2016

1. صفحة المقدمة 3

1. مشكلة بحث
2. أهمية الموضوع والأهمية العملية للدراسة
3. موضوع البحث وموضوعه
4. الغايات والأهداف
5. فرضية البحث

1. الجسم الرئيسي للعمل البحثي الصفحة 5

1. وصف مكان وشروط الملاحظات والتجارب
2. منهجية البحث ، صحتها
3. النتائج الرئيسية للتجربة
4. التعميم والاستنتاجات

1. خاتمة الصفحة 6
2. المراجع صفحة 7

الانتشار (الانتشار اللاتيني - الانتشار ، الانتشار ، التشتت ، التفاعل) هو عملية الاختراق المتبادل لجزيئات أو ذرات مادة ما بين جزيئات أو ذرات مادة أخرى ، مما يؤدي إلى معادلة تلقائية لتركيزاتها في جميع أنحاء الحجم المشغول. في بعض الحالات ، تحتوي إحدى المواد بالفعل على تركيز متساوٍ ويتحدث أحدهم عن انتشار مادة في أخرى. في هذه الحالة ، يحدث نقل مادة من منطقة ذات تركيز عالٍ إلى منطقة ذات تركيز منخفض.

إذا تم سكب الماء بعناية في محلول من كبريتات النحاس ، فسيتم تكوين واجهة واضحة بين الطبقتين (كبريتات النحاس أثقل من الماء). ولكن في غضون يومين سيكون هناك سائل متجانس في الوعاء. يحدث هذا بشكل عشوائي تمامًا.

يرتبط مثال آخر بجسم صلب: إذا تم تسخين أحد طرفي القضيب ، أو شحنه كهربائيًا ، تنتشر الحرارة (أو التيار الكهربائي على التوالي) من الجزء الساخن (المشحون) إلى الجزء البارد (غير المشحون). في حالة وجود قضيب معدني ، يتطور الانتشار الحراري بسرعة ، ويتدفق التيار على الفور تقريبًا. إذا كان القضيب مصنوعًا من مادة اصطناعية ، يكون الانتشار الحراري بطيئًا ، ويكون انتشار الجسيمات المشحونة كهربائيًا بطيئًا جدًا. ينتشر انتشار الجزيئات بشكل عام بشكل أبطأ. على سبيل المثال ، إذا تم إنزال قطعة من السكر إلى قاع كوب من الماء ولم يتم تقليب الماء ، فسوف يستغرق الأمر عدة أسابيع قبل أن يصبح المحلول متجانسًا. حتى أبطأ هو انتشار مادة صلبة إلى أخرى. على سبيل المثال ، إذا كان النحاس مغطى بالذهب ، فسوف ينتشر الذهب إلى نحاس ، ولكن في ظل الظروف العادية (درجة حرارة الغرفة والضغط الجوي) ، ستصل الطبقة الحاملة للذهب إلى سماكة عدة ميكرومترات فقط بعد عدة آلاف من السنين.

أول وصف كمي لعمليات الانتشار قدمه عالم الفسيولوجيا الألماني أ.فيك في عام 1855.

يحدث الانتشار في الغازات والسوائل والمواد الصلبة ، ويمكن أن تنتشر جزيئات المواد الغريبة الموجودة فيها وجزيئاتها.

انتشار في حياة الإنسان

بدراسة ظاهرة الانتشار ، توصلت إلى استنتاج مفاده أنه بفضل هذه الظاهرة يعيش الإنسان. بعد كل شيء ، كما تعلم ، يتكون الهواء الذي نتنفسه من خليط من الغازات: النيتروجين والأكسجين وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء. يقع في طبقة التروبوسفير - في الطبقة السفلى من الغلاف الجوي. إذا لم تكن هناك عمليات انتشار ، فإن غلافنا الجوي سيتراكم ببساطة تحت تأثير الجاذبية ، التي تعمل على جميع الأجسام الموجودة على سطح الأرض أو بالقرب منها ، بما في ذلك جزيئات الهواء. في الجزء السفلي سيكون هناك طبقة أثقل من ثاني أكسيد الكربون ، وفوقها - الأكسجين ، وفوق - النيتروجين والغازات الخاملة. لكن بالنسبة للحياة الطبيعية ، نحتاج إلى الأكسجين وليس ثاني أكسيد الكربون. يحدث الانتشار أيضًا في جسم الإنسان نفسه. يعتمد التنفس البشري والهضم على الانتشار. إذا تحدثنا عن التنفس ، ففي كل لحظة من الوقت في الأوعية الدموية التي تجدل الحويصلات الهوائية ، يوجد ما يقرب من 70 مل من الدم ، ينتشر منها ثاني أكسيد الكربون في الحويصلات الهوائية ، وينتشر الأكسجين في الاتجاه المعاكس. يجعل السطح الضخم للحويصلات الهوائية من الممكن تقليل سماكة طبقة الغازات التي تتبادل الدم مع الهواء داخل الحويصلات إلى 1 ميكرون ، مما يجعل من الممكن تشبع هذه الكمية من الدم بالأكسجين في أقل من ثانية واحدة وتحريرها من الفائض ثاني أكسيد الكربون.

تؤثر هذه الظاهرة أيضًا على جسم الإنسان - يخترق أكسجين الهواء الشعيرات الدموية في الرئتين عن طريق الانتشار عبر جدران الحويصلات الهوائية ، ثم يذوب فيها ، وينتشر في جميع أنحاء الجسم ، ويثريه بالأكسجين.

يُستخدم الانتشار في العديد من العمليات التكنولوجية: التمليح وإنتاج السكر (تُغسل نشارة بنجر السكر بالماء ، وتنتشر جزيئات السكر من النشارة إلى المحلول) ، وطهي المربى ، وصباغة القماش ، والغسيل ، والكربنة ، واللحام ، ولحام المعادن ، بما في ذلك الانتشار اللحام في الفراغ (المعادن ملحومة لا يمكن ربطها بطرق أخرى - الصلب بحديد الزهر ، والفضة بالفولاذ المقاوم للصدأ ، وما إلى ذلك) وانتشار تعدين المنتجات (تشبع سطح منتجات الصلب بالألمنيوم والكروم والسيليكون) ، النيترة - التشبع من سطح الفولاذ بالنيتروجين (يصبح الفولاذ صلبًا ومقاوم للتآكل) ، التثبيت - تشبع منتجات الصلب بالكربون ، السيانيد - تشبع سطح الفولاذ بالكربون والنيتروجين.

كما يتضح من الأمثلة المذكورة أعلاه ، تلعب عمليات الانتشار دورًا مهمًا للغاية في حياة الناس.

مشكلة: لماذا يستمر الانتشار بشكل مختلف عند درجات حرارة مختلفة؟

ملاءمة أرى هذه الدراسة في حقيقة أن موضوع "الانتشار في الحالات السائلة والصلبة والغازية" حيوي ليس فقط لمسار الفيزياء. يمكن أن تكون معرفة الانتشار مفيدة لي في الحياة اليومية. ستساعدك هذه المعلومات في التحضير لامتحان الفيزياء لدورة المدارس الابتدائية والثانوية. لقد أحببت الموضوع حقًا ، وقررت دراسته بشكل أعمق.

موضوع بحثيهو الانتشار الذي يحدث في الماء بدرجات حرارة مختلفة ، وموضوع الدراسة- الملاحظات عن طريق إجراء تجارب في درجات حرارة مختلفةأساليب.

هدف:

1. توسيع المعرفة حول الانتشار واعتماده على عوامل مختلفة.
2. اشرح الطبيعة الفيزيائية لظاهرة الانتشار على أساس التركيب الجزيئي للمادة.
3. اكتشف اعتماد معدل الانتشار على درجة الحرارة في السوائل القابلة للامتزاج.
4. قم بتأكيد الحقائق النظرية بالنتائج التجريبية.
5. لخص المعرفة المكتسبة ووضع التوصيات.

أهداف البحث:

1. تحقق من معدل الانتشار في الماء عند درجات حرارة مختلفة.
2. إثبات أن تبخر السائل هو نتيجة حركة الجزيئات

فرضية: في درجات الحرارة العالية ، تتحرك الجزيئات بشكل أسرع وبسبب هذا ، فإنها تختلط بشكل أسرع.

الجزء الرئيسي من العمل البحثي

لبحثي ، أخذت كأسين. صب الماء الدافئ في أحدهما والماء البارد في الآخر. في الوقت نفسه ، أسقط كيس شاي عليهم. تحول الماء الدافئ إلى اللون البني أسرع من الماء البارد. من المعروف أن الجزيئات في الماء الدافئ تتحرك بشكل أسرع ، لأن سرعتها تعتمد على درجة الحرارة. هذا يعني أن جزيئات الشاي سوف تخترق بسرعة بين جزيئات الماء. في الماء البارد ، تكون سرعة الجزيئات بطيئة ، لذا فإن ظاهرة الانتشار هنا تتقدم ببطء أكبر. تسمى ظاهرة تغلغل جزيئات مادة واحدة بين جزيئات مادة أخرى بالانتشار.

ثم صببت نفس الكمية من الماء في كأسين. تركت كوبًا واحدًا على المنضدة في الغرفة ، ووضعت الآخر في الثلاجة. بعد خمس ساعات قارنت مستويات المياه. اتضح أنه في كوب من الثلاجة ، لم يتغير المستوى عمليًا. في الثانية - انخفض المستوى بشكل ملحوظ. هذا بسبب حركة الجزيئات. وكلما زاد ارتفاع درجة الحرارة. وبسرعة أعلى ، تقترب جزيئات الماء من السطح. تسمى حركة الجزيئات هذه بالتبخر. أظهرت التجربة أن التبخر يحدث بشكل أسرع في درجات الحرارة المرتفعة ، حيث أنه كلما تحركت الجزيئات بشكل أسرع ، زادت الجزيئات التي تطير بعيدًا عن السائل في نفس الوقت. في الماء البارد ، تكون السرعة منخفضة ، لذا تظل في الكوب.

استنتاج:

بناءً على تجربة وملاحظات الانتشار في الماء عند درجات حرارة مختلفة ، كنت مقتنعًا بأن درجة الحرارة تؤثر بشدة على سرعة الجزيئات. يتضح هذا من خلال درجات متفاوتة من التبخر. وبالتالي ، كلما زادت حرارة المادة ، زادت سرعة الجزيئات. كلما كان الجو أكثر برودة ، كانت سرعة الجزيئات أبطأ. لذلك ، سوف يستمر الانتشار في السوائل بشكل أسرع عند درجة حرارة عالية.

المؤلفات:

1. AV بيريشكين. الصف السابع في الفيزياء. م: بوستارد ، 2011.
2. مكتبة "الأول من سبتمبر". م: "الأول من سبتمبر" 2002.
3. الفيزياء الحيوية في دروس الفيزياء. من خبرة العمل. م ، "التنوير" ، 1984.