Iš daugybės fizikos reiškinių difuzijos procesas yra vienas paprasčiausių ir suprantamiausių. Juk kiekvieną rytą, ruošdamas sau kvapnią arbatą ar kavą, žmogus turi galimybę praktiškai stebėti šią reakciją. Sužinokime daugiau apie šį procesą ir jo atsiradimo sąlygas įvairiose suvestinėse būsenose.
Kas yra difuzija
Šis žodis reiškia vienos medžiagos molekulių ar atomų prasiskverbimą tarp panašių kitos medžiagos struktūrinių vienetų. Šiuo atveju prasiskverbiančių junginių koncentracija yra išlyginta.
Šį procesą pirmą kartą išsamiai aprašė vokiečių mokslininkas Adolfas Fickas 1855 m.
Šio termino pavadinimas susidarė iš lotyniško žodinio daiktavardžio difusio (sąveika, sklaida, paskirstymas).
Difuzija skystyje
Nagrinėjamas procesas gali vykti su visų trijų agregacijos būsenų medžiagomis: dujinėmis, skystomis ir kietomis. Norėdami gauti praktinių pavyzdžių, tiesiog pažiūrėkitevirtuvė.
Vienas iš jų – viryklėje virti barščiai. Veikiamos temperatūros gliukozino betanino (medžiagos, dėl kurios burokėliai turi tokią sodrią raudoną spalvą) molekulės tolygiai reaguoja su vandens molekulėmis, suteikdamos jam unikalų bordo atspalvį. Šis atvejis yra difuzijos skysčiuose pavyzdys.
Be barščių, šį procesą galima pamatyti ir stiklinėje arbatos ar kavos. Abu šie gėrimai turi tokį vienodą sodrų atspalvį dėl to, kad arbatos lapeliai ar kavos dalelės, ištirpusios vandenyje, tolygiai pasiskirsto tarp jo molekulių, nuspalvindamos ją. Visų populiarių devintojo dešimtmečio tirpių gėrimų veiksmas sukurtas tuo pačiu principu: Yupi, Invite, Zuko.
Dujų įsiskverbimas
Toliau ieškant nagrinėjamo proceso apraiškų virtuvėje, verta pauostyti ir pasimėgauti maloniu aromatu, sklindančiu iš šviežių gėlių puokštės ant valgomojo stalo. Kodėl tai vyksta?
Kvapą pernešantys atomai ir molekulės aktyviai juda ir dėl to susimaišo su ore jau esančiomis dalelėmis ir gana tolygiai pasiskirsto patalpos tūryje.
Tai difuzijos dujose pasireiškimas. Verta paminėti, kad nagrinėjamam procesui priklauso ir pats oro įkvėpimas, taip pat apetitą žadinantis ką tik išvirtų barščių kvapas virtuvėje.
Difuzija kietose medžiagose
Virtuvės stalas su gėlėmis padengtas ryškiai geltona st altiese. Ji gavo panašų atspalvį dėkadifuzijos gebėjimas prasiskverbti per kietąsias medžiagas.
Drobei vienodo atspalvio suteikimo procesas vyksta keliais etapais, kaip nurodyta toliau.
- Geltonojo pigmento dalelės išsklaidytos rašalo talpykloje link pluoštinės medžiagos.
- Tada juos sugėrė išorinis dažyto audinio paviršius.
- Kitas žingsnis buvo vėl išsklaidyti dažus, bet šį kartą į tinklo pluoštus.
- Galų gale audinys fiksavo pigmento daleles ir tapo spalvotas.
Dujų difuzija metaluose
Paprastai, kalbėdami apie šį procesą, apsvarstykite medžiagų sąveiką toje pačioje agregacijos būsenoje. Pavyzdžiui, difuzija kietose medžiagose, kietosiose medžiagose. Norint įrodyti šį reiškinį, atliekamas eksperimentas su dviem metalinėmis plokštėmis, prispaustomis viena prie kitos (aukso ir švino). Jų molekulių įsiskverbimas trunka gana ilgai (vienas milimetras per penkerius metus). Šis procesas naudojamas neįprastiems papuošalams gaminti.
Tačiau skirtingų agregatų būsenų junginiai taip pat gali sklisti. Pavyzdžiui, kietose medžiagose vyksta dujų difuzija.
Eksperimentų metu buvo įrodyta, kad toks procesas vyksta atominėje būsenoje. Norint jį suaktyvinti, paprastai reikia žymiai padidinti temperatūrą ir slėgį.
Tokios dujų difuzijos kietose medžiagose pavyzdys yra vandenilio korozija. Tai pasireiškia situacijose, kaiTarp struktūrinių metalo dalelių prasiskverbia vandenilio atomai (Н2), kurie susidarė vykstant kokiai nors cheminei reakcijai, veikiant aukštai temperatūrai (nuo 200 iki 650 laipsnių Celsijaus).
Be vandenilio, kietose medžiagose taip pat gali vykti deguonies ir kitų dujų difuzija. Šis akiai nepastebimas procesas daro daug žalos, nes dėl jo gali sugriūti metalinės konstrukcijos.
Skysčių difuzija metaluose
Tačiau į kietąsias medžiagas gali prasiskverbti ne tik dujų molekulės, bet ir į skysčius. Kaip ir vandenilio atveju, dažniausiai šis procesas sukelia koroziją (kai kalbama apie metalus).
Klasikinis skysčių difuzijos kietose medžiagose pavyzdys yra metalų korozija veikiant vandeniui (H2O) arba elektrolitų tirpalams. Daugumai šis procesas labiau žinomas rūdijimo pavadinimu. Skirtingai nuo vandenilio korozijos, praktiškai su ja tenka susidurti daug dažniau.
Sąlygos paspartinti sklaidą. Difuzijos koeficientas
Atsižvelgiant į medžiagas, kuriose gali vykti nagrinėjamas procesas, verta sužinoti apie jo atsiradimo sąlygas.
Visų pirma, difuzijos greitis priklauso nuo sąveikaujančių medžiagų agregatinės būsenos. Kuo didesnis medžiagos, kurioje vyksta reakcija, tankis, tuo lėtesnis jos greitis.
Šiuo atžvilgiu difuzija skysčiuose ir dujose visada bus aktyvesnė nei kietose medžiagose.
Pavyzdžiui, jei kristalaikalio permanganatas KMnO4 (kalio permanganatas) įmeskite į vandenį, jie suteiks gražią avietinę spalvą per kelias minutes Spalva. Tačiau jei ant ledo gabalo pabarstysite KMnO4 kristalus ir viską įdėsite į šaldiklį, po kelių valandų kalio permanganatas nepavyks iki galo nuspalvinti sustingusio H 2O.
Iš ankstesnio pavyzdžio galima padaryti dar vieną išvadą apie difuzijos sąlygas. Be agregacijos būsenos, temperatūra taip pat turi įtakos dalelių įsiskverbimo greičiui.
Norint apsvarstyti nagrinėjamo proceso priklausomybę nuo jo, verta susipažinti su tokia sąvoka kaip difuzijos koeficientas. Tai yra jo greičio kiekybinės charakteristikos pavadinimas.
Daugumoje formulių jis žymimas didžiąja lotyniška raide D, o SI sistemoje matuojamas kvadratiniais metrais per sekundę (m² / s), kartais centimetrais per sekundę (cm2 /m).
Difuzijos koeficientas yra lygus medžiagos kiekiui, išsklaidytam per vienetinį paviršių per laiko vienetą, su sąlyga, kad tankio skirtumas abiejuose paviršiuose (esančiuose atstumu, lygiu vieneto ilgiui) yra lygus vienetui. Kriterijai, lemiantys D, yra medžiagos, kurioje vyksta pats dalelių sklaidos procesas, savybės ir jų tipas.
Koeficiento priklausomybę nuo temperatūros galima apibūdinti naudojant Arenijaus lygtį: D=D0exp(-E/TR).
Nagrinėjamoje formulėje E yra mažiausia energija, reikalinga procesui suaktyvinti; T - temperatūra (matuojama kelvinais, o ne Celsijaus); R-idealių dujų charakteristika dujų konstanta.
Be visų pirmiau minėtų dalykų, difuzijos greitį kietose medžiagose, skysčiuose dujose veikia slėgis ir spinduliuotė (indukcinė arba aukšto dažnio). Be to, daug kas priklauso nuo katalizinės medžiagos buvimo, dažnai ji veikia kaip aktyvios dalelių sklaidos pradžios veiksnys.
Difuzijos lygtis
Šis reiškinys yra tam tikra dalinės diferencialinės lygties forma.
Jo tikslas – nustatyti medžiagos koncentracijos priklausomybę nuo erdvės (kurioje ji sklinda) dydžio ir koordinačių, taip pat nuo laiko. Šiuo atveju pateiktas koeficientas apibūdina reakcijos terpės pralaidumą.
Dažniausiai difuzijos lygtis rašoma taip: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
Jame φ (t ir r) yra sklaidos medžiagos tankis taške r momentu t. D (φ, r) – apibendrintas difuzijos koeficientas esant tankiui φ taške r.
∇ – vektoriaus diferencialinis operatorius, kurio komponentai yra dalinės koordinačių išvestinės.
Kai difuzijos koeficientas priklauso nuo tankio, lygtis yra netiesinė. Kai ne – linijinis.
Atsižvelgiant į difuzijos apibrėžimą ir šio proceso ypatumus įvairiose aplinkose, galima pastebėti, kad jis turi ir teigiamų, ir neigiamų pusių.
