Диффузия веществ в жидкости уравнение

диффузии уравнение

ДИФФУЗИИ УРАВНЕНИЕ — дифференциальное уравнение с частными производными 2-го порядка, описывающее процесс диффузии в случае, когда перенос вещества вызван лишь градиентом его концентрации (в отличие от термодиффузии и т. п.). Д. у. чаще всего записывают в виде

где и(x, t) — концентрация вещества в точке среды в момент времени t, D — коэф. диффузии, q — коэф. поглощения, a F — интенсивность источников вещества. Величины D, q и F обычно являются ф-циями x и t, а также могут зависеть от концентрации и(x, t). B последнем случае ур-ние (1) становится нелинейным. В анизотропной среде коэфф. диффузии D является тензорным полем.

Наиб. полно исследовано линейное Д. у., когда коэф. диффузии D и поглощения q — пост. величины. В этом случае ур-ние (1) является ур-нием параболич. типа, для к-poro в матем. физике разработаны разл. методы решения: метод разделения переменных, метод источников или функций Грина (см. также Винеровский функциональный интеграл), метод интегр. преобразований и т. д. Для выделения единств. решения линейного ур-ния (1) необходимо также задать нач. и граничные условия (если диффундирующее вещество заполняет конечный объём V, огранич. боковой поверхностью S). Обычно рассматривают след. линейные граничные условия для Д. у.: 1) на границе S поддерживается заданное распределение вещества u₀(x, t): на S поддерживается заданная плотность потока вещества, входящего в V через S:

где — внутр. нормаль к поверхности S; 3) S полупроницаема, и диффузия во внеш. среду с заданной концентрацией и₀(x, t)через S происходит по линейному закону

с нач. условием имеет решение вида

фундам. решение Д. у. (2).

Методы решения Д. у. с перем. коэф. диффузии менее развиты. В нек-рых частных случаях, напр. если D зависит только от концентрации и, можно аналитически найти точные решения Д. у. с перем. D.

Нелинейные матем. модели диффузии и теплопроводности (ур-ние и граничные условия) условно делят на след. классы: 1) от концентрации и зависят D или q (нелинейность 1-го рода); 2) нелинейность содержится в граничных условиях (нелинейность 2-го рода); 3) нелинейность возникает вследствие зависимости мощностей внутр. источников F от концентрации и (нелинейность 3-го рода, см. Диссипативные структуры).

Одномерные нелинейные Д. у. можно решить разл. приближёнными аналитич. методами. Двухмерные и трёхмерные нелинейные Д. у. при сложной конфигурации границ области и сложных законах изменения характеристик среды, внеш. и внутр. источников вещества, перем. границ области, где происходит диффузия, поддаются решению только числ. методами с применением ЭВМ. С матем. точки зрения Д. у., являясь частным случаем дифференц. ур-ния, описывающего процесс установления равновесного распределения, совпадает с ур-нием теплопроводности и аналогично Навъе — Стокса уравнению для ламинарного потока несжимаемой жидкости и т. д.

Лит.: Владимиров В. С., Уравнения математической физики, 4 изд., M., 1981; Коздоба Л. A., Методы решения нелинейных задач теплопроводности, M., 1975; Pайченко А. И., Математическая теория диффузии в приложениях, К., 1981; Crank J., The mathematics of diffusion, 2 ed., Oxf., 1975. С. Я. Азаков.

Диффузия веществ в жидкости уравнение

Список секций
Физика
ДИФФУЗИЯ В ЖИДКОСТЯХ И ГАЗАХ

ДИФФУЗИЯ В ЖИДКОСТЯХ И ГАЗАХ

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Что такое диффузия? Как она происходит? Какое влияние оказывает на окружающую среду? Все эти вопросы возникли у меня в голове, когда в первый раз услышала об этом явлении на одном из уроков физики. Я узнала, что именно диффузия является причиной распространения запахов и смешивания жидкостей. Решила расширить знания о диффузии и исследовать проблему: если диффузия происходит в жидкостях, то почему плохо смешиваются некоторые жидкости?

Поэтому темой моей исследовательской работы является «Диффузия в жидкостях и газах».

Диффузия одно из самых значимых явлений в физике. Исследование диффузии помогает лучше понять явления, с которыми мы сталкиваемся каждый день, оценить роль диффузии в природе и жизнедеятельности человека.

Объект исследования — явление диффузии.

Предмет исследования – механизм процесса диффузии в жидкостях и газах.

Цель: Исследование условий протекания диффузии в жидкостях и газах.

Проблема и цель исследования предполагают решение следующих задач:

Изучить специальную литературу и интернет — источники по теме «Диффузия».

Выяснить от чего зависит скорость диффузии, причину плохого смешивания некоторых жидкостей.

Провести опыты, демонстрирующие явление диффузии в природе и объяснить результаты.

Изготовить буклеты «Диффузия в жидкостях и газах», «Диффузия вокруг нас».

Изучение, анализ и синтез литературных и других информационных источников.

Проведение экспериментов, анализ результатов.

Глава 1. Понятие диффузии. Механизм процесса диффузии

За 2500 лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению. Диффузия — это удивительное явление, с которым мы сталкиваемся на протяжении всей нашей жизни. Роль, которую играет диффузия в окружающем нас мире трудно переоценить. Её проявления есть и в природе, и в технике, и в быту. Ведь именно благодаря этому явлению мы дышим, ощущаем приятные запахи, едим вкусную пищу, источающую чудные ароматы. К сожалению, диффузионные процессы могут оказывать не только положительное, но и негативное влияние на жизнедеятельность растений, животных и человека.

Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, вследствие хаотического движения и столкновения друг с другом, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.

Явление диффузии можно объяснить лишь в том случае, если считать, что:

• все вещества состоят из частиц (молекул, атомов, ионов);

• между частицами имеются промежутки;

• частицы вещества находятся в постоянном, хаотическом движении.

Диффузия протекает так. Сначала между двумя телами чётко видна граница раздела двух сред. Затем, вследствие своего движения отдельные частицы веществ, находящиеся около границы, обмениваются местами. Граница между веществами расплывается.

Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во всё более глубоких слоях. Граница раздела веществ становится ещё более расплывчатой. Благодаря непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит к тому, что раствор в сосуде становится однородным. Это явление имеет место в газах, жидкостях и твёрдых телах.

От чего зависит скорость протекания диффузии?

Скорость диффузии зависит от температуры. При повышении температуры процесс взаимного проникновения веществ ускоряется. Это связано с тем, что при нагревании возрастает общая скорость движения молекул. В теле с более высокой температурой молекулы движутся быстрее, а значит и быстрее протекает диффузия. Скорость диффузии зависит от того, в каком агрегатном состоянии находятся соприкасающиеся тела – в твердом, жидком или газообразном. Диффузия в газах происходит быстро (минуты), в жидкостях происходит медленнее (минуты-часы), в твёрдых телах происходит очень долго (годы).

Глава 2. Экспериментальная часть

Опыт №1. «Диффузия в холодной и горячей воде»

Цель: изучить влияние температуры воды на скорость протекания диффузии.

Оборудование: кофе растворимый, 2 прозрачные кружки, 2 чайные ложки, горячая и холодная вода.

Наливаем в первый стакан холодную воду. Во второй стакан наливаем горячую воду. Берём две чайные ложки кофе и одновременно высыпаем в кружки с горячей и холодной водой. Наблюдаем за результатом. В холодной воде диффузия происходит за 38 секунд. В горячей воде диффузия происходит за 13 секунд.

Фото 1. Диффузия в холодной и горячей воде

Вывод: В тёплой воде частицы движутся быстрее, чем в холодной т.к. процесс диффузии ускоряется с повышением температуры. Диффузия объясняется постоянным беспорядочным движением частиц. Причина диффузии — беспорядочное движение молекул.

Опыт №2. «Диффузия жидкости в жидкостях: молоко, масло, вода»

В жизни, мы достаточно часто сталкиваемся с явлением плохого смешивания жидкостей. Интересно почему так происходит? Проведём опыт.

Цель: выяснить причину плохого смешивания некоторых жидкостей.

1) Диффузия растительного масла и воды комнатной температуры.

Оборудование: растительное масло, вода, молоко, прозрачная кружка, чайная ложка.

В кружку наливаем растительное масло, затем добавляем воды и наблюдаем.

Фото 2. Диффузия растительного масла и воды

Масло не смешивается с водой, а всплывает на поверхность.

Теперь проделаем опыт в обратном порядке. Сначала нальём воды и затем добавим растительного масла.

Фото 3. Диффузия воды и растительного масла

Так как плотность воды (1000 кг/м 3 )больше плотности масла (930 кг/м 3 ), масло не смешивается с водой, а всплывает на поверхность.

2) Диффузия молока и растительного масла

В кружку наливаем молоко, затем добавляем растительное масло и наблюдаем. Масло остаётся на поверхности.

Теперь проделаем опыт в обратном порядке. К растительному маслу добавим молоко. Через небольшой промежуток времени масло всплывает на поверхность молока.

Фото 4. Диффузия растительного масла и молока

Плотность масла меньше плотности молока, поэтому масло остаётся на поверхности.

3) Диффузия воды и молока

Берём кружку и наливаем в неё молоко, затем добавляем воды и наблюдаем.

Фото 5. Диффузия воды и молока

Плотность воды и молока практически равны, поэтому диффузия между ними происходит быстро. Диффузия между молоком и водой произошла за 3 секунды.

Вывод: Хорошо смешиваются жидкости, если их плотности примерно равны. Жидкости с меньшей плотностью располагаются выше относительно более плотных жидкостей. Молоко и растительное масло, вода и растительное масло — несмешиваемые жидкости.

Почему это происходит?

Как известно — менее плотные тела стараются подняться вверх относительно более плотных. Пример: менее плотный горячий воздух всегда поднимается вверх, относительно холодного. Менее плотный пенопласт плавает на поверхности более плотной воды и т.д. Возьмём в нашем случае, масло и воду. Масло имеет меньшую, чем вода, плотность и стремится занять верхнее положение. Масло на воде будет лежать очень долго и сколь-нибудь заметной диффузии не будет.

Опыт №3. «Диффузия в газах»

Гипотеза: Существует связь между явлением диффузии и загрязнением атмосферы.

Оборудование: приборы: секундомер, рулетка, баллон с освежителем воздуха.

v = 1м / 18с ≈ 0,0 6

v = 3м / 36с ≈ 0,08

Вывод: Диффузия в газах происходит быстро. Поэтому диффузия способствует распространению в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах промышленных предприятий. Это ведет к загрязнению окружающей среды (воздуха, воды, почвы).

Глава 3. Вред и польза диффузии газа и жидкости

3.1. Вредное воздействие диффузии:

Основные источники загрязнения окружающей среды (воздуха, воды, почвы):

Полигоны и свалки промышленных и бытовых отходов.

1) Диффузия в промышленности

Промышленные предприятия приносят пользу экономике многих стран, а вот экологии наносят вред. На сегодняшний день негативное влияние на окружающую среду наносят производства следующих сфер:

В результате работы этих объектов в атмосферу выделяется углекислый и сернистые газы, зола и ядовитые газы. Эти элементы, прежде всего, загрязняют атмосферу с помощью диффузии, а также почву и воду, влияют на флору и фауну.

2) Загрязнение химическими производствами

Химические предприятия, исходя из названия, наносят прямой урон окружающей среде. В процессе работы используется каучук, различные кислоты, красители, полимеры и другие вещества. Они выделяют вредные элементы, которые выделяются в атмосферу и смываются водой. Во время производства некоторых химических средств и материалов используются ресурсы не только синтетического характера, но и природные. При взаимодействии сырье натурального характера загрязняется другими веществами.

В выбросах химических и нефтехимических предприятий содержатся оксиды азота, углекислый газ, двуокись серы, различные газы.

Рис. 6. Содержащиеся в сточных водах вредные вещества, загрязняют водоемы

Рис. 7. Свалки наносят ущерб экологии

3) Загрязнение металлургическими предприятиями

Эксперты считают, что среди всех предприятий больше всего загрязнений происходит от заводов черной и цветной металлургии. В результате их деятельности в воздух поступают выбросы вредных веществ. В водоемы металлургические предприятия сбрасывают большое количество сточных вод.

Рис. 8. Выбросы в воздух вредных веществ

Рис. 9. Последствия загрязнения окружающей среды

3.2. Источники загрязнений в нашем городе:

Явления диффузии способствует загрязнению окружающей среды (атмосферы, водоемов, почвы) нашего города и его окрестностей.

К источникам загрязнения окружающей среды в нашем городе можно отнести промышленные предприятия, автомобильный транспорт, котельные, работающие на каменном угле, полигоны и свалки промышленных и бытовых отходов, несанкционированные свалки, очистные сооружения.

1) Промышленные предприятия

С советских времен в нашем городе действовали предприятия оборонного комплекса страны: механический завод (РМЗ), химический завод (РХЗ) и завод «Режникель».

Сафьяновское медно — колчеданное месторождение было открыто в 1985 году. ОАО «Сафьяновская медь» начало промышленное освоение месторождения. 24 января 1994 года был погружен первый ковш породы. На Сафьяновском месторождении используют открытый и подземный способ добычи руды.

Фото 10. Взрывные работы в карьере ОАО «Сафьяновская медь»

В мае 2004 года ликвидирован химический завод (РХЗ). С середины апреля 2012 г. прекратил свою работу механический завод (РМЗ). Это способствовало значительному улучшению экологической обстановки, уменьшению вредных выбросов в атмосферу.

До января 2017 года действовал ЗАО «ПО Режникель» последний из градообразующих и самых больших предприятий города. Завод располагался в центре города. Теперь, когда его закрыли, выбросов в атмосферу стало намного меньше.

Фото11. Режевской никелевый завод

2) Автомобильный транспорт

Но за последние годы резко увеличилось количество автомобильного транспорта. Выхлопные газы негативно влияют на окружающую среду, на здоровье человека. В состав выхлопных газов входят токсичные вещества оксид углерода, углеводороды, альдегиды, диоксид серы, сажа, бензапирен.

Рис. 12. Выхлопы автомобилей

3.3. Польза явления диффузии:

1) В 1638 г., вернувшись из Монголии, посол Василий Старков преподнес русскому царю Михаилу Федоровичу в подарок почти 66 кг сушеных листьев, обладающих странным терпковатым ароматом. Это засушенное растение очень понравилось ни разу не пробовавшим его москвичам, и они его с удовольствием до сих пор употребляют. Узнали его? Конечно же, это чай, который заваривается благодаря явлению диффузии.

Один из простейших примеров диффузии в быту — растворение сахара в чае или кофе. Если в стакан с кипятком поместить кусочек сахара, он через некоторое время исчезнет бесследно, при этом даже объем жидкости практически не изменится.

2) Диффузия обеспечивает безопасность. Горючий природный газ, которым мы пользуемся дома для приготовления пищи, не имеет ни цвета, ни запаха. Поэтому трудно было бы сразу заметить утечку газа. А при утечке за счет диффузии газ распространяется по всему помещению. Между тем при определенном соотношении газа с воздухом в закрытом помещении образуется смесь, которая может взорваться, например, от зажженной спички. Может вызвать и отравление.

Чтобы сделать поступление газа в помещение заметным, на распределительных станциях горючий газ предварительно смешивают с особыми веществами, обладающими резким неприятным запахом, который легко ощущается человеком даже при весьма малой концентрации. Такая мера предосторожности позволяет быстро заметить запах газа в помещении, если образовалась утечка.

3) Благодаря диффузии деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ. Корни растений захватывают необходимые для растения вещества из почвенных вод благодаря диффузионному потоку внутрь корней. На явлении диффузии основаны многие физиологические процессы, происходящие в организме человека: такие как дыхание, всасывание питательных веществ в кишечнике и др. Диффузия находит широкое применение в различных сферах деятельности человека. На этом явлении основана, например, диффузионная сварка металлов, никелирование. Результатом диффузии может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. На явлении диффузии основаны соление овощей, варка варения, получение компотов и многое другое. В общем, диффузия имеет большое значение в природе и жизнедеятельности человека.

4) Если внимательно осмотреться вокруг, можно найти немало примеров диффузии, облегчающих наш быт:

растворение стирального порошка,

распыление освежителей воздуха;

аэрозоли для горла;

смешивание красок художником;

приготовление наваристых бульонов, супов, и подлив, сладких компотов и морсов.

Глава 4. Как бороться с загрязнениями?

Совершенствование конструкции двигателя автомобиля, установка катализаторов, внедрение новых видов топлива.

Создание экологически «чистых» видов транспорта.

Посадка зеленых насаждений вдоль дорог.

Использование альтернативных источников энергии.

Очистка выбросов от вредных примесей с помощью пылеуловителей и фильтров.

Установка на всех предприятиях, выбрасывающих опасные вещества в атмосферу и водоемы, многоступенчатые системы очистки.

Переработка отходов. Подобный метод является эффективным методом рационального использования отходов. Утилизировать отходы только на специализированных заводах.

Диффузия — это удивительное явление, с которым мы сталкиваемся на протяжении всей нашей жизни. Её проявления есть и в природе, и в технике, и в быту. Ведь именно благодаря этому явлению мы дышим, ощущаем приятные запахи, едим вкусную пищу, источающую чудные ароматы.

Диффузионные процессы могут оказывать не только положительное, но и негативное влияние на жизнедеятельность растений, животных и человека.

Среди всех предприятий больше всего загрязнений происходит от заводов черной и цветной металлургии. В результате их деятельности в воздух поступают выбросы вредных веществ. В водоемы металлургические предприятия сбрасывают большое количество сточных вод.

В результате исследования проблемы я выяснила, что жидкости с разными плотностями смешиваются плохо. Жидкости с меньшей плотностью располагаются выше относительно более плотных жидкостей. Молоко и растительное масло, вода и растительное масло — несмешиваемые жидкости. Хорошо смешиваются жидкости, если их плотности примерно равны.

Проведя исследовательскую работу «Диффузия в жидкостях и газах», я задумалась над вопросами загрязнения атмосферы, рек и водоемов, полей и лесов. Экспериментально подтвердила гипотезу о существовании связи между явлением диффузии и загрязнением атмосферы.

Диффузия в газах происходит быстро. Поэтому способствует распространению в атмосфере вредных веществ, содержащихся в выбросах промышленных предприятий. Это ведет к загрязнению окружающей среды (воздуха, воды, почвы).

При проведении исследования я не только изучила литературу о вреде и пользе диффузии газа и жидкости, но и определила основные источники загрязнения окружающей среды в нашем городе. К ним можно отнести промышленные предприятия, автомобильный транспорт, котельные, работающие на каменном угле, полигоны и свалки промышленных и бытовых отходов, несанкционированные свалки, очистные сооружения.

С результатами исследования ознакомила учащихся школы во время проведения недели наук.

По результатам анализа собранной информации изготовила буклеты «Диффузия в жидкостях и газах» (приложение 1), «Диффузия вокруг нас» (приложение 2). Буклеты можно использовать как наглядное пособие на уроках физики. Они помогут расширить знания об удивительном явлении «диффузия».

И.Г. Кириллова. Книга для чтения по физике. М. «Просвещение» 1986 г.

А.В. Перышкин. Учебник по физике 7 класс. М. «Просвещение» 2015 г.

Приложение 1. Буклет «Диффузия в жидкостях и газах»

Благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии. Корни растений захватывают необходимые для растения вещества из почвенных вод благодаря диффузионному потоку внутрь корней. На явлении диффузии основаны многие физиологические процессы, происходящие в организме человека: такие как дыхание, всасывание питательных веществ в кишечнике и др. Диффузия находит широкое применение в различных сферах деятельности человека. На явлении диффузии основаны соление овощей, варка варения, получение компотов и многое другое. Диффузия имеет большое значение в природе и жизнедеятельности человека.

Если внимательно осмотреться вокруг, можно найти немало примеров диффузии, облегчающих наш быт:

растворение стирального порошка,

распыление освежителей воздуха;

аэрозоли для горла;

вымывание грязи с поверхности белья;

смешивание красок художником;

приготовление наваристых бульонов, супов, и подлив, сладких компотов и морсов.

Рис 4. Диффузия в чае.

Как бороться с загрязнениями:

Совершенствование конструкции двигателя автомобиля, внедрение новых видов топлива.

Создание экологически «чистых» видов транспорта.

Посадка зеленых насаждений вдоль дорог.

Использование альтернативных источников энергии.

Очистка выбросов от вредных примесей с помощью пылеуловителей и фильтров;

Что такое диффузия?

В каких агрегатных состояниях может происходить диффузия?

Какое влияние диффузия оказывает на окружающую среду?

Почему при повышении температуры процесс взаимного проникновения молекул веществ ускоряется?

Проведите собственный опыт с диффузией.

Диффузия в жидкостях и газах

Уже в глубокой древности, за 2500 лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению. Диффузия — это удивительное явление, с которым мы сталкиваемся на протяжении всей нашей жизни. Роль, которую играет диффузия в окружающем нас мире трудно переоценить. Её проявления есть и в природе, и в технике, и в быту. Ведь именно благодаря этому явлению мы дышим, ощущаем приятные запахи, едим вкусную пищу, источающую чудные ароматы. К сожалению, диффузионные процессы могут оказывать не только положительное, но и негативное влияние на жизнедеятельность растений, животных и человека.

Рис 1. Диффузия в жидкостях.

Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, вследствие хаотического движения и столкновения друг с другом, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.

От чего зависит скорость протекания диффузии?

Вред и польза диффузии газа и жидкости

Промышленные предприятия приносят пользу экономике, а вот экологии наносят вред. На сегодняшний день негативное влияние на окружающую среду наносят производства следующих сфер:

• металлургические;
• нефтехимические;
• машиностроительные;
• химические.

Рис. 2. Содержащиеся в сточных водах вредные вещества, загрязняют водоемы

Рис 3. Выбросы в воздух вредных веществ

Приложение 2. Буклет «Диффузия вокруг нас»

1) Диффузия на кухне

В 1638 г., вернувшись из Монголии, посол Василий Старков преподнес русскому царю Михаилу Федоровичу в подарок почти 66 кг сушеных листьев, обладающих странным терпковатым ароматом. Это засушенное растение очень понравилось ни разу не пробовавшим его москвичам, и они его с удовольствием до сих пор употребляют. Узнали его? Конечно же, это чай, который заваривается благодаря явлению диффузии.

Диффузия при засолке огурцов:

Взяли с мамой свежие огурцы. Уложили огурцы в две трехлитровые банки. Одну банку залили горячим маринадом, вторую – холодным.

Через сутки проверили банки. Оказалось, что в горячем маринаде огурцы больше впитали соль, и стали слабосолеными и внутри, и снаружи. А в холодном маринаде – только кожура соленая.

Отсюда можно сделать вывод, что соль приникает быстрее в огурцы в горячем маринаде. То есть, диффузия быстрее протекает в горячей воде.

Рис. 1. Диффузия при засолке огурцов

Если внимательно осмотреться вокруг, можно найти немало примеров диффузии, облегчающих наш быт:

растворение стирального порошка,
марганцовки, соли;

распыление освежителей воздуха;

смешивание красок художником;

приготовление наваристых бульонов, супов, и подлив, сладких компотов и морсов.

На явлении диффузии основаны соление овощей, варка варения, получение компотов и многое другое

Рис. 2. Диффузия при варке компотов

Рис. 3. Диффузия в воде

Результатом диффузии может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании.

2) Диффузия в природе

На явлении диффузии основаны многие физиологические процессы, происходящие в организме человека и животных: такие как дыхание, всасывание питательных веществ в кишечнике и др.

Рис. 4. Дыхание животных и человека

Благодаря диффузии деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ.

Рис. 5. Питание растений

Рис. 6. Распространение запахов

Рис. 7. Распространение выхлопных газов и выбросов производства

Рис. 9. Сварка металлов

В общем, диффузия имеет большое значение в природе и жизнедеятельности человека.

Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе

Содержание:

Определение

Само слово «диффузия» латинского происхождения – «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, рассеивание». В физике под диффузией подразумевается процесс взаимопроникновения микрочастиц при соприкосновении разных материалов. Академическое определение того, что такое диффузия, звучит следующим образом: «Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества вследствие их хаотичного движения и столкновения друг с другом». Какие свойства диффузии, причины ее возникновения, как проявляется этот процесс в разных веществах, об этом читайте далее.

Причины

Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).

Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO₄) и растворить в воде (H₂O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO₄-. Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ – OH-.

Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.

Вот так этот процесс выглядит схематически.

Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.

Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.

Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества.

Формула

Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения:

В этом уравнении J – плотность материала, D – коэффициент диффузии, а ac/dx – градиент концентрации двух веществ.

Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.

В твердых телах

В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.

Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.

В жидкостях

Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.

Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера выше) осуществляется за минуту.

В газах

В газах диффузия происходит еще быстрее, чем в жидкости, связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, и никак не сцепленные частицы легко перемешиваются друг с другом, проникая в молекулы других газов. Небольшие коррективы при диффузии газов может вносить разве только гравитация.

Примеры в окружающем мире

поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности нашей планеты,
происходит питание растений,
осуществляется дыхание человека и животных.

Значимый биологический процесс – фотосинтез осуществляется, в том числе и при помощи диффузии: как мы знаем, благодаря энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие, кислород, который выделяется при этом, попадает в атмосферу и поглощается всеми живыми организмами. Так вот, и сам процесс поглощения кислорода человеком и животными, и обмен веществ у растений, все это поддерживается диффузией, без которой не могла бы существовать сама Жизнь.

Но это в глобальном плане, в более простых вещах, мы можем наблюдать диффузию:

В саду, где цветы источают свой аромат благодаря диффузии (их частицы перемешиваются с частицами окружающего воздуха).
Растворяя сахар в чае или кофе, чай или кофе становится сладким благодаря диффузии.
При резке лука у вас начнут слезиться глаза, происходит это тоже по причине диффузии, молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха и ваши глаза на это реагируют.

Таких примером можно приводить еще много.

Видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском языке – Diffusion.

источники:

http://school-science.ru/7/11/39663

http://www.poznavayka.org/fizika/diffuziya/