Диффузия что это такое физика

Диффузия

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы.

Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность, вязкое трение и т. п.

Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.

Количественно описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком (англ.) в 1855 г.

Содержание

Общее описание

Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.

Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235 U от основной массы 238 U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.

Уравнения Фика

С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала

В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал перестаёт быть связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то вышеприведённую формулу можно заменить на следующую:

которая показывает, что плотность потока вещества J [] пропорциональна коэффициенту диффузии D [()] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):

Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса.

Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера—Планка. Процессы диффузии имеют большое значение в природе:

Геометрическое описание уравнения Фика

Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения концентрации во времени, а в правой части уравнения — вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение концентрации, в частности, выпуклость функции распределения температур, проецируемую на ось х.

Источник

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

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:

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.

Источник

Диффузия

Содержание

Моделью вещества, состоящего из постоянно движущихся молекул, объясняются некоторые физические явления. К примеру, диффузия – проникновение молекул одного вещества в молекулы другого. Рассмотрим данное явление подробнее.

Начнем с газообразных тел. Представьте, что вы сидите за уроками в своей комнате и вдруг почувствовали вкусный запах с кухни. Почему это произошло? Блюдо, которое готовится к обеду, состоит из большого числа молекул, которые все время движутся и сталкиваются: мясо, масло, специи.

При нагревании отдельные молекулы отделились от остальных, смешавшись с молекулами воздуха и стали перемещаться по квартире. Это явление уже упоминавшейся диффузии – взаимное проникновение молекул разных веществ.

Диффузия может происходить в жидкостях и даже в твердых телах, но только значительно медленнее.

Другой вопрос: почему же запахи не доносятся до нас мгновенно? Мы уже упоминали о беспрерывном и хаотичном движении молекул воздуха. таким образом, молекулы постоянно сталкиваются, меняют свое направление, и беспорядочно перемещаясь, разлетаются по помещению.

Рассмотрим опыт, который покажет нам, что молекулы, из которых состоят тела, находятся в беспорядочном движении и в жидких телах (рисунок 12).

Для начала нальем в стакан раствор медного купороса темно-голубого цвета (часто используется как бытовой антисептик). Затем аккуратно нальем в этот же стакан воды.

Вначале между жидкостями будет видна резкая граница, но со временем она будет размываться. Через 2-3 недели граница исчезнет совсем: процесс диффузии завершится.

Если рассмотреть данный процесс на молекулярном уровне (рисунок 13), то прекрасно видно, что молекулы воды и медного купороса на границе раздела этих двух жидкостей начинают меняться местами, а со временем жидкость в стакане и вовсе станет однородной.

Рисунок 13. Диффузия в жидкостях (раствор медного купороса и вода).

Диффузия – это явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого

Как мы уже говорили, явление диффузии объясняется непрерывным хаотичным движением молекул, в процессе которого молекулы одного вещества проникают в межмолекулярные промежутки другого.

Процесс диффузии напрямую зависит от температуры, т.к. с увеличением температуры увеличивается скорость движения молекул.

Процесс диффузии окружает нас как в повседневной жизни, так и в природе. Зачем мы завариваем чай в кипятке, ведь потом нужно ждать, пока он остынет? Почему не разогреть воду только до комфортной температуры?

Ответ – чтобы ускорить процесс диффузии. В кипятке диффузия между молекулами чая, сахара и воды будет происходить намного быстрее, и чай заварится быстрее и лучше.

В промышленности диффузия широко используется в технике при сварке деталей, склеивании. В природе благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха рядом с поверхностью Земли, а диффузия солей в почве позволяет растениям получать нормальное питание.

Источник

Диффузия что это такое физика

Диффузия — явление проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.

Мы ощущаем запах духов на некотором расстоянии от флакона. Это объясняется тем, что молекулы духов, так же как и молекулы воздуха, движутся. Между молекулами существуют промежутки. Молекулы духов проникают в промежутки между молекулами воздуха, а молекулы воздуха — в промежутки между молекулами духов.

Опыты показывают, что диффузии в газах — самый быстрый процесс, в жидкостях он протекает гораздо медленнее, но может наблюдаться даже в твердых телах. Соединив гладко отполированными поверхностями два бруска из разных металлов, например из меди и алюминия, и оставив их в таком положении на длительное время (на 4—5 лет), мы обнаружим их сращивание за счет проникновения атомов меди в алюминиевый образец и, наоборот, проникновения атомов алюминия в медный.

Диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях, потому, что газы имеют меньшую плотность, чем жидкости, т.е. молекулы газов расположены на больших расстояниях друг от друга. Ещё медленнее происходит диффузия в твёрдых телах, поскольку молекулы твёрдых тел находятся ещё ближе друг к другу, чем молекулы жидкостей.

Скорость диффузии зависит не только от агрегатного состояния вещества, но и от температуры. При более высокой температуре диффузия будет происходить быстрее. Это происходит потому, что при повышении температуры быстрее движутся молекулы. Скорость движения молекул и температура тела взаимосвязаны. Чем больше средняя скорость движения молекул тела, тем выше его температура.

Проявление диффузии: окрашивание, склеивание, проникновение питательных веществ из кишечника в кровь.

Конспект урока «Диффузия. Взаимодействие молекул».

Источник

Диффузия – определение, примеры и типы

Определение диффузии

Диффузия – это физический процесс, который относится к чистому перемещению молекул из области высокой концентрации в область с более низкой концентрацией. Материал, который диффундирует, может быть твердым, жидким или газообразным. Точно так же среда, в которой происходит диффузия, также может находиться в одном из трех физических состояний.

Одной из основных характеристик диффузии является движение молекул вдоль градиент концентрации, Хотя это может быть облегчено другими молекулами, в нем напрямую не участвуют молекулы высоких энергий, такие как аденозинтрифосфат (АТФ) или гуанозинтрифосфат (ГТФ).

Скорость диффузии зависит от характера взаимодействия среды и материала. Например, газ очень быстро диффундирует в другой газ. Примером этого является то, как вредный запах газообразного аммиака распространяется в воздухе. Аналогичным образом, если емкость с жидким азотом протекает незначительно, выделяющийся азот быстро диффундирует в атмосферу. Тот же газ будет диффундировать немного медленнее в жидкости, такой как вода, и медленнее в твердом.

Аналогично, две смешиваемые жидкости также будут диффундировать друг в друга, образуя однородную решение, Например, когда вода смешивается с глицерин Со временем две жидкости диффундируют в радиальном направлении друг к другу. Это может даже наблюдаться визуально путем добавления красителей разного цвета к каждой из жидкостей. Однако это же явление не наблюдается, когда смешиваются несмешивающиеся жидкости, такие как бензин и вода. Диффузия происходит медленно и только по небольшой поверхности взаимодействия двух жидкостей.

Примеры диффузии

Диффузия является важной частью многих биологических и химических процессов. В биологических системах диффузия происходит в любой момент, через мембраны в каждом клетка а также через тело.

Например, кислород находится в более высокой концентрации внутри артерий и артериол по сравнению с уровнями кислорода в активно дышащих клетках. Тем временем кровь течет в капилляры в мускул или печень например, существует только один слой клеток, отделяющий этот кислород от гепатоцитов или скелетная мышца волокна. Через процесс пассивной диффузии, без активного участия каких-либо других молекула кислород проходит через капиллярную мембрану и проникает в клетки.

Клетки используют кислород в митохондрии за аэробного дыхания, который генерирует углекислый газ в качестве побочного продукта. Еще раз, когда концентрация этого газа увеличивается внутри клетки, он диффундирует наружу в направлении капилляров, где сила текущей крови удаляет избыток газа из ткань область. Таким образом, капилляры остаются с низкой концентрацией углекислого газа, что позволяет постоянное движение молекулы от клеток.

Этот пример также показывает, что диффузия любого одного материала не зависит от диффузии любых других веществ. Когда кислород движется к тканям из капилляров, углекислый газ попадает в кровоток.

В химических процессах диффузия часто является центральным принципом, определяющим многие реакции. В качестве простого примера, несколько кристаллов сахара в стакане воды будут медленно растворяться со временем. Это происходит из-за чистого движения молекул сахара в водной среде. Даже в крупных промышленных реакциях, когда две жидкости смешиваются вместе, диффузия объединяет реагенты и позволяет реакции протекать гладко. Например, одним из способов синтеза полиэфира является смешивание подходящей органической кислоты и спирта в их жидкой форме. Реакция протекает, когда два реагента диффундируют друг к другу и подвергаются химической реакции с образованием сложных эфиров.

Факторы, влияющие на диффузию

На диффузию влияют температура, площадь взаимодействия, крутизна градиента концентрации и размер частиц. Каждый из этих факторов, независимо и совместно, может изменять скорость и степень распространения.

температура

В любой системе молекулы движутся с определенным количеством кинетической энергии. Обычно это не направлено каким-либо особым образом и может показаться случайным. Когда эти молекулы сталкиваются друг с другом, происходит изменение направления движения, а также изменения импульса и скорости. Например, если блок из сухого льда (двуокись углерода в твердой форме) помещен в коробку, молекулы углекислого газа в центре блока в основном сталкиваются друг с другом и задерживаются в твердой массе. Однако для молекул на периферии быстро движущиеся молекулы в воздухе также влияют на их движение, позволяя им диффундировать в воздух. Это создает градиент концентрации, при котором концентрация углекислого газа постепенно уменьшается по мере удаления от комка сухого льда.

С увеличением температуры кинетическая энергия всех частиц в системе увеличивается. Это увеличивает скорость, с которой растворенное вещество а также растворитель молекулы движутся, и увеличивает столкновения. Это означает, что сухой лед (или даже обычный лед) будет испаряться быстрее в более теплый день просто потому, что каждая молекула движется с большей энергией и с большей вероятностью быстро выйдет за пределы твердого состояния.

Область взаимодействия

Чтобы расширить приведенный выше пример, если блок сухого льда разбивается на несколько частей, площадь, которая взаимодействует с атмосферой, немедленно увеличивается. Количество молекул, которые только сталкиваются с другими частицами углекислого газа в сухом льде, уменьшается. Следовательно, скорость диффузии газа в воздух также увеличивается.

Это свойство можно наблюдать даже лучше, если газ имеет запах или цвет. Например, когда йод сублимируется над горячей плитой, начинают появляться фиолетовые пары и смешиваться с воздухом. Если сублимацию проводят в узком тигле, пары медленно диффундируют к устью контейнера, а затем быстро исчезают. Хотя они ограничены меньшей площадью поверхности внутри тигля, скорость диффузии остается низкой.

Это также видно, когда два жидких реагента смешаны друг с другом. Перемешивание увеличивает площадь взаимодействия между двумя химическими веществами и позволяет этим молекулам быстрее диффундировать друг к другу. Реакция идет к завершению с более высокой скоростью. Аналогичным образом, любое растворенное вещество, которое разбивается на мелкие кусочки и смешивается с растворителем, быстро растворяется, что является еще одним показателем того, что молекулы лучше диффундируют при увеличении площади взаимодействия.

Крутизна градиента концентрации

Поскольку диффузия обусловлена, главным образом, вероятностью того, что молекулы отойдут от области с более высоким насыщением, из этого сразу следует, что когда среда (или растворитель) имеет очень низкую концентрацию растворенного вещества, вероятность диффузии молекулы от центральной области выше. Например, в примере с диффузией газообразного йода, если тигель помещают в другой закрытый контейнер и кристаллы йода нагревают в течение продолжительного периода времени, скорость, с которой фиолетовый газ, по-видимому, «исчезает» в устье тигель уменьшится. Это очевидное замедление связано с тем, что со временем в более крупном контейнере начинает появляться достаточное количество йодного газа, и часть его будет перемещаться «назад» к тиглю. Даже при том, что это случайное ненаправленное движение с большим объемом, оно может создать сценарий, в котором нет чистого движения газа из контейнера.

Размер частицы

При любой данной температуре диффузия частицы меньшего размера будет более быстрой, чем диффузия молекулы большего размера. Это связано как с массой молекулы, так и с площадью ее поверхности. Более тяжелая молекула с большей площадью поверхности будет диффундировать медленно, в то время как более мелкие, более легкие частицы будут диффундировать быстрее. Например, в то время как газообразный кислород будет диффундировать немного быстрее, чем диоксид углерода, оба они будут двигаться быстрее, чем газообразный йод.

Функции диффузии

Диффузия в организме человека необходима для поглощения усваиваемых питательных веществ, газообмена, распространения нервных импульсов, движения гормонов и других метаболитов к их цели. орган и почти для каждого события в эмбриональном развитии.

Типы диффузии

Диффузия может быть простая диффузия и быть облегчен другой молекулой

Простая диффузия

Простая диффузия – это просто движение молекул вдоль градиента их концентрации без непосредственного участия каких-либо других молекул. Это может включать в себя либо распространение материала через среду, либо перенос частицы через мембрану. Все приведенные выше примеры были примерами простой диффузии.

Простая диффузия важна в химических реакциях, во многих физических явлениях и может даже влиять на глобальные погодные условия и геологические события. В большинстве биологических систем диффузия происходит через полупроницаемую мембрану из липидный бислой, Мембрана имеет поры и отверстия для прохождения определенных молекул.

Облегченная диффузия

Поскольку они представляют собой относительно большие отверстия в плазматической мембране, эти интегральные мембранные белки также обладают высокой специфичностью. Например, канальный белок который транспортирует ионы калия, имеет гораздо более высокое сродство к этому иону, чем очень похожий ион натрия, с почти таким же размером и зарядом.

викторина

1. Какое из этих утверждений о диффузии молекул верно?A. Облегченная диффузия полностью обеспечивается гидролизом ГТФB. Никогда не нуждается в присутствии какой-либо другой молекулыC. Диффузия каждой молекулы зависит от градиента ее концентрации и не зависит от концентрации других молекул вид в средеD. Все вышеперечисленное

Ответ на вопрос № 1

С верно. На движение одной молекулы вдоль градиента концентрации не влияют градиенты концентрации любых других веществ в той же среде.

2. Если бы в устье тигля, нагревавшего йод, находилась охлаждающая жидкость, как это повлияло бы на скорость ее диффузии?A. Останется без измененийB. УвеличениеC. УменьшитьD. Это будет зависеть от характера и температуры охлаждающей жидкости

Ответ на вопрос № 2

С верно. Присутствие охлаждающей жидкости в устье тигля понизит температуру газообразного йода. Это уменьшит скорость диффузии.

3. Какое из этих утверждений не соответствует действительности?A. Большие полярные молекулы не могут диффундировать через биологическую мембрануB. Диоксид углерода будет диффундировать быстрее, чем газообразный бромC. Интегральные мембранные белки, которые облегчают диффузию, очень специфичны в отношении своего грузаD. Все вышеперечисленное

Ответ на вопрос № 3

верно. Полярные молекулы могут диффундировать через мембраны, но им необходимо присутствие трансмембранного канала или белка. Углекислый газ легче брома и поэтому быстрее диффундирует.

Источник