Difusioon tahkistes, vedelikes ja gaasides: määratlus, tingimused. Suur nafta ja gaasi entsüklopeedia

Et mõista, millest difusioon sõltub, kaalume seda mõjutavaid tegureid.

Difusioon sõltub temperatuurist. Difusioonikiirus suureneb temperatuuri tõustes, sest temperatuuri tõustes suureneb molekulide liikumiskiirus, see tähendab, et molekulid segunevad kiiremini. (Te kõik teate seda külm vesi suhkru lahustumine võtab kaua aega)

Ja lisamisel välismõju (inimene segab suhkrut vees) difusioon kulgeb kiiremini. Aine olek mõjutab ka seda, millest difusioon sõltub, nimelt difusiooni kiirust. Termiline difusioon sõltub molekulide tüübist. Näiteks kui objekt on metall, toimub termiline difusioon kiiremini kui siis, kui objekt oleks valmistatud sünteetilisest materjalist. Difusioon tahkete materjalide vahel toimub väga aeglaselt.

Seega sõltub difusiooni kiirus: temperatuurist, kontsentratsioonist, välismõjudest, agregatsiooni olek ained

Difusioonil on looduses ja inimese elus suur tähtsus.

Näited difusioonist

Et paremini mõista, mis on difusioon, vaatame seda näidetega. Toome koos näiteid difusiooniprotsessist gaasides. Selle nähtuse avaldumise variandid võivad olla järgmised:

Lillede lõhna levitamine;

Grillitud kana lõhna levitamine, mis kutsikas Antoshkale nii väga meeldib;

Pisarad sibula tükeldamisel;

Parfüümi jälg, mida on õhus tunda.

Õhus olevate osakeste vahed on üsna suured, osakesed liiguvad kaootiliselt, mistõttu toimub gaasiliste ainete difusioon üsna kiiresti.

Lihtne ja ligipääsetav näide tahkete ainete difusioonist on võtta kaks tükki mitmevärvilist plastiliini ja sõtkuda need käes, jälgides, kuidas värvid segunevad. Ja vastavalt ilma välise mõjuta, kui kaks tükki lihtsalt üksteise vastu suruda, kulub kuid või isegi aastaid, enne kui kaks värvi segunevad vähemalt nii-öelda, et üksteise sisse tungida.

Difusiooni ilmingud vedelikes võivad olla järgmised:

Tinditilga vees lahustamine;

- “Lina on pleekinud” märgade kangaste värvi;

Köögiviljade marineerimine ja moosi keetmine

Niisiis, difusioon on aine molekulide segunemine nende juhusliku soojusliikumise käigus.

Arvukate füüsikanähtuste hulgas on difusiooniprotsess üks lihtsamaid ja arusaadavamaid. Lõppude lõpuks on inimesel igal hommikul aromaatset teed või kohvi valmistades võimalus seda reaktsiooni praktikas jälgida. Tutvume selle protsessi ja selle toimumise tingimustega erinevates liitmisolekutes lähemalt.

Mis on difusioon

See sõna viitab ühe aine molekulide või aatomite tungimisele teise aine sarnaste struktuuriüksuste vahele. Sel juhul võrdsustub läbistavate ühendite kontsentratsioon.

Seda protsessi kirjeldas esmakordselt üksikasjalikult saksa teadlane Adolf Fick 1855. aastal.

Selle termini nimi tulenes ladinakeelsest sõnast diffusio (interaktsioon, hajumine, levik).

Difusioon vedelikus

Vaadeldav protsess võib toimuda ainetega, mis on kõigis kolmes agregatsiooni olekus: gaasiline, vedel ja tahke. Leidma praktilisi näiteid see, sa pead lihtsalt kööki vaatama.

Pliidil podisev borš on üks neist. Temperatuuri mõjul reageerivad glükosiinbetaniini (aine, mis annab peedile nii rikkaliku helepunase värvuse) molekulid ühtlaselt veemolekulidega, andes sellele ainulaadse Burgundia tooni. See juhtum on vedelikes.

Lisaks boršile on seda protsessi näha ka tee- või kohviklaasis. Mõlemal joogil on nii ühtlane, rikkalik varjund, mis tuleneb asjaolust, et vees lahustuv kohvijook või osakesed jaotuvad selle molekulide vahel ühtlaselt, värvides seda. Kõigi populaarsete tegevus lahustuvad joogidüheksakümnendad: Yupi, Invite, Zuko.

Gaaside läbitungimine

Lõhna kandvad aatomid ja molekulid on aktiivses liikumises ning segunevad selle tulemusena juba õhus sisalduvate osakestega ning on ruumis üsna ühtlaselt hajutatud.

See on gaaside difusiooni ilming. Väärib märkimist, et vaadeldava protsessiga on seotud ka õhu sissehingamine ise, nagu ka värskelt valmistatud borši isuäratav lõhn köögis.

Difusioon tahkistes

Köögilaud, millel on lilled, on kaetud heleda laudlinaga. kollast värvi. See sai sarnase varjundi tänu difusioonivõimele tahkestes ainetes.

Lõuendile ühtlase varjundi andmise protsess toimub mitmes etapis järgmiselt.

1. Kollase pigmendi osakesed hajusid värvipaagis kiulise materjali suunas.
2. Siis nad imendusid välispind värvitud kangas.
3. Järgmine samm oli värvi uuesti hajutamine, kuid seekord kanga kiududesse.
4. Lõpuks fikseeris kangas pigmendiosakesed, muutes seeläbi värviliseks.

Gaaside difusioon metallides

Tavaliselt käsitleme sellest protsessist rääkides identses agregatsiooniolekus olevate ainete koostoimeid. Näiteks difusioon tahketes ainetes, tahked ained. Selle nähtuse tõestamiseks tehakse katse kahega metallplaadid(kuld ja plii). Nende molekulide läbitungimine toimub üsna pikka aega (üks millimeeter viie aasta jooksul). Seda protsessi kasutatakse ebatavaliste ehete valmistamiseks.

Kuid erinevas agregatsiooniseisundis ühendid on samuti võimelised difundeeruma. Näiteks toimub gaaside difusioon tahketes ainetes.

Katsete käigus tõestati, et sarnane protsess toimub ka aatomi olekus. Selle aktiveerimiseks on reeglina vajalik temperatuuri ja rõhu oluline tõus.

Sellise gaasilise difusiooni näide tahkestes ainetes on vesiniku korrosioon. See avaldub olukordades, kus mõne keemilise reaktsiooni käigus kõrgete temperatuuride (200–650 kraadi Celsiuse järgi) mõjul tekkinud vesinikuaatomid (H2) tungivad metalli struktuursete osakeste vahele.

Tahketes ainetes võib lisaks vesinikule toimuda ka hapniku ja muude gaaside difusioon. See silmale nähtamatu protsess toob palju kahju, sest metallkonstruktsioonid võivad selle tõttu kokku kukkuda.

Vedelike difusioon metallides

Kuid mitte ainult gaasimolekulid ei suuda läbida tahkeid aineid, vaid ka vedelikke. Nagu vesiniku puhul, põhjustab see protsess enamasti korrosiooni (kui me räägime metallide kohta).

Klassikaline näide vedelike difusioonist tahketes ainetes on metallide korrosioon vee (H 2 O) või elektrolüütide lahuste mõjul. Enamiku jaoks on see protsess tuttavam roostetamise nime all. Erinevalt vesiniku korrosioonist kohtab seda praktikas palju sagedamini.

Tingimused difusiooni kiirendamiseks. Difusioonikoefitsient

Olles välja mõelnud, millistes ainetes võib kõnealune protsess toimuda, tasub teada saada selle toimumise tingimused.

Esiteks sõltub difusiooni kiirus sellest, millises agregatsiooniseisundis on interakteeruvad ained. Mida suurem on reaktsioon, seda aeglasem on selle kiirus.

Sellega seoses on difusioon vedelikes ja gaasides alati aktiivsem kui tahketes ainetes.

Näiteks kui visata vette kaaliumpermanganaadi KMnO 4 (kaaliumpermanganaadi) kristalle, annavad need mõne minutiga sellele kauni karmiinpunase värvi. Kui aga puistata jäätükile KMnO 4 kristalle ja panna see kõik sügavkülma, siis mitme tunni pärast ei suuda kaaliumpermanganaat külmunud H 2 O täielikult värvida.

Eelnevast näitest saame teha teise järelduse difusioonitingimuste kohta. Lisaks agregatsiooni olekule mõjutab temperatuur ka osakeste läbitungimise kiirust.

Vaadeldava protsessi sõltuvuse arvestamiseks sellest tasub õppida tundma sellist mõistet nagu difusioonikoefitsient. See on selle kiiruse kvantitatiivse tunnuse nimi.

Enamikus valemites on see tähistatud suure ladina tähega D ja SI-süsteemis mõõdetakse seda ruutmeetrites sekundis (m²/s), mõnikord sentimeetrites sekundis (cm 2 /m).

Difusioonikoefitsient võrdub aine kogusega, mis on hajutatud läbi pinnaühiku ajaühiku jooksul, eeldusel, et tiheduse erinevus mõlemal pinnal (mis asuvad ühiku pikkusega võrdsel kaugusel) on võrdne ühtsusega. D määravad kriteeriumid on aine omadused, milles osakeste hajumise protsess ise toimub, ja nende tüüp.

Koefitsiendi sõltuvust temperatuurist saab kirjeldada Arrheniuse võrrandi abil: D = D 0exp (-E/TR).

Vaadeldavas valemis on E minimaalne energia, mis on vajalik protsessi aktiveerimiseks; T - temperatuur (mõõdetakse kelvinites, mitte Celsiuse kraadides); R on ideaalsele gaasile iseloomulik gaasikonstant.

Lisaks kõigele eelnevale mõjutab difusioonikiirust tahketes ainetes ja vedelikes gaasides rõhk ja kiirgus (induktsioon või kõrgsagedus). Lisaks sõltub palju katalüütilise aine olemasolust, mis sageli käivitab osakeste aktiivse hajumise.

Difusioonivõrrand

See nähtus on osalise diferentsiaalvõrrandi eritüüp.

Selle eesmärk on leida aine kontsentratsiooni sõltuvus ruumi suurusest ja koordinaatidest (milles see hajub), samuti ajast. Sel juhul iseloomustab antud koefitsient reaktsioonikeskkonna läbilaskvust.

Kõige sagedamini kirjutatakse difusioonivõrrand järgmiselt: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x.

Selles on φ (t ja r) hajutava aine tihedus punktis r ajahetkel t. D (φ, r) on üldistatud difusioonikoefitsient tiheduse φ juures punktis r.

∇ on vektori diferentsiaaloperaator, mille koordinaatkomponendid on osatuletised.

Kui difusioonikoefitsient sõltub tihedusest, on võrrand mittelineaarne. Kui mitte - lineaarne.

Võttes arvesse difusiooni määratlust ja tunnuseid seda protsessi erinevates keskkondades võib märkida, et sellel on nii positiivseid kui ka negatiivseid külgi.

Gazizova Guzel

“Sammud teadusesse – 2016”

Lae alla:

Eelvaade:

Vallaeelarve haridusasutus

«Arskaja keskmine üldhariduslik kool Nr 7" Arsky

Tatarstani Vabariigi munitsipaalrajoon.

Vabariiklik teaduslik ja praktiline konverents

“Sammud teadusesse – 2016”

Sektsioon: Füüsika ja tehniline loovus

Uurimine

Teema: Vees difusiooni jälgimine ja temperatuuri mõju difusioonikiirusele.

Töö nimetus.

Gazizova Guzel Robertovna Zinnatullin Fidaris Faisalovitš

7. klassi õpilane füüsikaõpetaja 1. veerand kategooriad.

2016. aasta

1. Sissejuhatuse leht 3

1. Uurimisprobleem
2. Teema asjakohasus ja õppetöö praktiline tähendus
3. Uurimise objekt ja subjekt
4. Eesmärgid
5. Uurimistöö hüpotees

1. Põhiosa uurimistöö 5. lk

1. Vaatluste ja katsete koha ja tingimuste kirjeldus
2. Uurimismetoodika, selle valiidsus
3. Katse peamised tulemused
4. Kokkuvõte ja järeldused

1. Kokkuvõte 6. lk
2. Viited Lehekülg 7

Difusioon (ladina keeles diffusio - levimine, levimine, hajumine, interaktsioon) on ühe aine molekulide või aatomite vastastikune tungimine teise aine molekulide või aatomite vahele, mis viib nende kontsentratsioonide spontaansele võrdsustamisele kogu hõivatud ruumala ulatuses. Mõnes olukorras on ühel ainel juba võrdsustatud kontsentratsioon ja nad räägivad ühe aine difusioonist teises. Sel juhul toimub aine ülekandmine kõrge kontsentratsiooniga piirkonnast madala kontsentratsiooniga piirkonda.

Kui valate ettevaatlikult vett vasksulfaadi lahusesse, tekib kahe kihi vahele selge liides ( vasksulfaat raskem kui vesi). Kuid kahe päeva pärast on anumas homogeenne vedelik. See juhtub täiesti juhuslikult.

Teine näide on seotud tahke kehaga: kui varda üks ots on kuumutatud või elektriliselt laetud, levib soojus (või vastavalt elektrit) kuumalt (laetud) osalt külmale (laadimata) osale. Metallvarda puhul areneb soojusdifusioon kiiresti ja vool liigub peaaegu koheselt. Kui varras on valmistatud sünteetilisest materjalist, on termiline difusioon aeglane ja elektriliselt laetud osakeste difusioon väga aeglane. Molekulide difusioon on üldiselt veelgi aeglasem. Näiteks kui veeklaasi põhja asetatakse tükk suhkrut ja vett ei segata, kulub mitu nädalat, enne kui lahus muutub homogeenseks. Ühe tahke aine difusioon teiseks toimub veelgi aeglasemalt. Näiteks kui vask on kaetud kullaga, siis toimub kulla difusioon vaseks, kuid millal normaalsetes tingimustes(toatemperatuur ja atmosfäärirõhk) saavutab kulda kandev kiht mitme mikromeetri paksuse alles mitme tuhande aasta pärast.

Esimese difusiooniprotsesside kvantitatiivse kirjelduse andis saksa füsioloog A. Fick 1855. aastal.

Difusioon toimub gaasides, vedelikes ja tahketes ainetes ning difundeerida võivad nii neis sisalduvad võõrainete osakesed kui ka omaosakesed.

Difusioon inimese elus

Difusiooni fenomeni uurides jõudsin järeldusele, et just tänu sellele nähtusele elab inimene. Lõppude lõpuks, nagu teate, koosneb õhk, mida me hingame, gaaside segust: lämmastik, hapnik, süsinikdioksiid ja veeaur. See asub troposfääris - atmosfääri alumises kihis. Kui difusiooniprotsesse poleks, siis meie atmosfäär lihtsalt kihistuks gravitatsiooni mõjul, mis mõjub kõigile Maa pinnal või selle lähedal asuvatele kehadele, sealhulgas õhumolekulidele. All oleks raskem süsihappegaasi kiht, selle kohal hapnik, üleval lämmastik ja inertgaasid. Kuid normaalseks elutegevuseks vajame hapnikku, mitte süsinikdioksiid. Difusioon toimub ka inimkehas endas. Inimese hingamine ja seedimine põhinevad difusioonil. Kui rääkida hingamisest, siis igal ajahetkel veresooned alveoolide põimumisel on ligikaudu 70 ml verd, millest süsinikdioksiid difundeerub alveoolidesse ja vastupidine suund- hapnik. Alveoolide tohutu pind võimaldab vähendada alveolaarse õhuga gaase vahetava vere kihi paksust 1 mikronini, mis võimaldab selle koguse verd hapnikuga küllastada vähem kui 1 sekundiga ja vabastada. liigsest süsinikdioksiidist.

See nähtus mõjutab ka inimkeha – õhust tulev hapnik tungib difusiooni teel läbi alveoolide seinte kopsude verekapillaaridesse ning seejärel lahustub neis ja levib üle keha, rikastades seda hapnikuga.

Difusiooni kasutatakse paljudes tehnoloogilised protsessid: soolamine, suhkru saamine (suhkrupeedi laastud pestakse veega, suhkrumolekulid hajuvad laastudest lahusesse), moosi valmistamine, kangaste värvimine, asjade pesemine, metallide tsementeerimine, keevitamine ja jootmine, sh difusioonkeevitus vaakumis (metallid muid meetodeid ei saa kombineerida - teras malmiga, hõbe roostevaba terasega jne) ja toodete difusioonmetalliseerimine (terastoodete pinna küllastumine alumiiniumi, kroomi, räniga), nitridimine - terase pinna küllastumine lämmastikuga ( teras muutub kõvaks, kulumiskindlaks), karburisatsioon - terastoodete küllastumine süsinikuga, tsüaniidatsioon - terase pinna küllastumine süsiniku ja lämmastikuga.

Nagu toodud näidetest näha, on difusiooniprotsessidel väga oluline roll oluline roll inimeste elus

Probleem: Miks toimub difusioon erinevatel temperatuuridel erinevalt?

Asjakohasus Sellest uurimusest näen, et teema “Difusioon vedelas, tahkes ja gaasilises olekus” on eluliselt tähtis mitte ainult füüsikakursuses. Teadmised difusiooni kohta võivad mulle kasulikud olla Igapäevane elu. See teave aitab teil valmistuda füüsika eksamiks põhi- ja Keskkool. Mulle see teema väga meeldis ja otsustasin seda sügavamalt uurida.

Minu uurimistöö objekt– difusioon vees erinevatel temperatuuridel jaõppeaine– vaatlused katsete abil erinevatel temperatuuridel režiimid.

Töö eesmärk:

1. Laiendage teadmisi difusioonist ja selle sõltuvusest erinevatest teguritest.
2. Seletama füüsiline olemus difusiooninähtused, mis põhinevad aine molekulaarstruktuuril.
3. Uurige segunevate vedelike difusioonikiiruse sõltuvust temperatuurist.
4. Kinnitage teoreetilisi fakte katsetulemustega.
5. Tehke saadud teadmistest kokkuvõte ja koostage soovitused.

Uuringu eesmärgid:

1. Uurige difusioonikiirust vees erinevatel temperatuuridel.
2. Tõesta, et vedeliku aurustumine on molekulide liikumise tagajärg

Hüpotees: juures kõrge temperatuur Molekulid liiguvad kiiremini ja segunevad seetõttu kiiremini.

Uurimistöö põhiosa

Uurimiseks võtsin kaks klaasi. Ta valas ühte sooja ja teise külma vett. Samal ajal pillas ta neile teekotikese. Soe vesi muutus punaseks Pruun värv kiiremini kui külm. On teada, et aastal soe vesi molekulid liiguvad kiiremini, kuna nende kiirus sõltub temperatuurist. See tähendab, et tee molekulid tungivad kiiremini veemolekulide vahele. Külmas vees on molekulide kiirus aeglasem, seega toimub siin difusiooninähtus aeglasemalt. Ühe aine molekulide tungimist teise aine molekulide vahele nimetatakse difusiooniks.

Seejärel valasin kahte klaasi sama palju vett. Ühe klaasi jätsin tuppa lauale ja teise panin külmkappi. Viis tundi hiljem võrdlesin veetaset. Selgus, et külmikust võetud klaasis tase praktiliselt ei muutunud. Teises langes tase märgatavalt. See on tingitud molekulide liikumisest. Ja see on seda suurem, mida kõrgem on temperatuur. Suurematel kiirustel "hüppavad" veemolekulid pinnale lähenedes välja. Sellist molekulide liikumist nimetatakse aurustumiseks. Kogemused on näidanud, et aurustumine toimub kõrgematel temperatuuridel kiiremini, kuna mida kiiremini molekulid liiguvad, seda rohkem molekule samal ajal vedelikust eemale lendab. Külmas vees on kiirus väike, nii et need jäävad klaasi.

Järeldus:

Põhineb katsel ja vees difusiooni vaatlustel erinevad temperatuurid, veendusin, et temperatuur mõjutab suuresti molekulide kiirust. Selle tõestuseks oli erineval määral toimub aurustumine. Seega, mida kuumem on aine, seda suurem on molekulide kiirus. Mida külmem on, seda aeglasem on molekulide kiirus. Seetõttu on kõrgetel temperatuuridel difusioon vedelikes kiirem.

Kirjandus:

1. A.V. Perõškin. Füüsika 7. klass. M.: Bustard, 2011.
2. Raamatukogu "Esimene september". M.: “Esimene september”, 2002.
3. Biofüüsika füüsikatundides. Töökogemusest. M., "Valgustus", 1984.