Pradėkime nuo to, kad skystis yra tarpinė agregacijos būsena. Esant kritinei virimo temperatūrai, jis panašus į dujas, o žemoje temperatūroje atsiranda charakteristikos, panašios į kietą medžiagą. Skystis neturi idealaus modelio, o tai labai apsunkina jo pusiausvyros termodinamines savybes, užšalimo temperatūrą, klampumą, difuziją, šilumos laidumą, paviršiaus įtempimą, entropiją, entalpiją.
Apibrėžimas
Kas yra difuzija? Tai yra terpės dalelių sklaida, pasiskirstymas, judėjimas, dėl kurio vyksta medžiagos pernešimas, pusiausvyros koncentracijų nustatymas. Nesant išorinių poveikių, šį procesą lemia dalelių šiluminis judėjimas. Šiuo atveju difuzijos procesas yra tiesiogiai proporcingas koncentracijai. Difuzijos srautas keisis panašiai kaip ir koncentracijos gradientas.
Įvairūs
Jei difuzija skystyje vyksta keičiantis temperatūrai, tai vadinama termine difuzija, elektriniame lauke - elektrodifuzija.
Didelių dalelių judėjimo skystyje arba dujose procesas vyksta poBrauno judėjimo dėsniai.
Srauto ypatybės
Difuzija dujose, skysčiuose ir kietose medžiagose vyksta skirtingu greičiu. Dėl dalelių šiluminio judėjimo skirtingose terpėse skirtumų, didžiausias proceso greitis yra dujose, o mažiausias greitis – kietose medžiagose.
Dalelės trajektorija yra trūkinė linija, nes kryptis ir greitis periodiškai keičiasi. Dėl netvarkingo judėjimo stebimas laipsniškas dalelės pašalinimas iš pradinės padėties. Jo poslinkis tiesia linija yra daug trumpesnis nei kelias, einantis išilgai nutrūkusio kelio.
Fiko dėsnis
Difuzija skystyje paklūsta dviem Ficko dėsniams:
- difuzijos srauto tankis yra tiesiogiai proporcingas koncentracijai su difuzijos koeficientu;
- Difuzijos srauto tankio kitimo greitis yra tiesiogiai proporcingas koncentracijos kitimo greičiui ir yra priešinga kryptimi.
Difuzijai skystyje būdingi molekulių šuoliai iš vienos pusiausvyros padėties į kitą. Kiekvienas toks šuolis stebimas, kai molekulei perduodama energijos tiek, kiek pakaktų ryšiui su kitomis dalelėmis nutraukti. Vidutinis šuolis neviršija atstumo tarp molekulių.
Aptardami, kas yra difuzija skystyje, pastebime, kad procesas priklauso nuo temperatūros. Jai padidėjus, skysčio struktūra „atsipalaiduoja“, dėl to smarkiai padidėjašuolių skaičius per laiko vienetą.
Difuzija dujose, skysčiuose ir kietosiose medžiagose turi tam tikrų išskirtinių savybių. Pavyzdžiui, kietose medžiagose mechanizmas yra susijęs su atomų judėjimu kristalinėje gardelėje.
Reiškinio ypatybės
Difuzija skystyje yra praktiška dėl to, kad ją lydi medžiagos koncentracijos išlyginimas iš pradžių nehomogeniškoje terpėje. Žymiai daugiau dalelių išeina iš sričių, kuriose yra didelė koncentracija.
Eksperimentai
Eksperimentai su skysčiais parodė, kad difuzija yra ypač svarbi cheminėje kinetikoje. Vykstant cheminiam procesui ant reagentų arba katalizatoriaus paviršiaus, šis procesas prisideda prie reakcijos produktų pašalinimo greičio ir pradinių reagentų pridėjimo.
Kas paaiškina difuziją skysčiuose? Tirpiklio molekulės gali prasiskverbti per permatomas membranas, todėl susidaro osmosinis slėgis. Šis reiškinys buvo pritaikytas cheminiams ir fiziniams medžiagų atskyrimo metodams.
Biologinės sistemos
Šiuo atveju galima nagrinėti difuzijos modelius, pavyzdžiui, oro deguonies patekimo į plaučius, virškinimo produktų įsisavinimo iš žarnyno į kraują, mineralinių elementų įsisavinimo šaknų plaukeliais pavyzdžiu. Jonų difuzija vyksta raumenų ir nervų ląstelėse generuojant bioelektrinius impulsus.
Fizinis veiksnys, kuris turi įtakostam tikrų elementų kaupimosi organizmo ląstelėse selektyvumas yra skirtingas jonų prasiskverbimo pro ląstelių membranas greitis. Šis procesas gali būti išreikštas Ficko dėsniu, pakeičiant difuzijos koeficiento reikšmę membranos pralaidumu, o vietoj koncentracijos gradiento naudokite verčių skirtumą abiejose membranos pusėse. Difuzijai prasiskverbus vandeniui ir dujoms į ląstelę, keičiasi osmosinio slėgio indikatoriai ląstelės išorėje ir viduje.
Analizuodami, nuo ko priklauso difuzija, pastebime, kad yra keletas šio proceso tipų. Paprasta forma yra susijusi su laisvu jonų ir molekulių perkėlimu link jų elektrocheminio potencialo gradiento. Pavyzdžiui, ši parinktis tinka toms medžiagoms, kurių molekulės yra mažos, pavyzdžiui, metilo alkoholis, vanduo.
Ribotas variantas reiškia silpną materijos perdavimą. Pavyzdžiui, net mažos dalelės negali prasiskverbti į ląstelę.
Istorijos puslapiai
Difuzija buvo atrasta senovės graikų kultūros klestėjimo laikais. Demokritas ir Anaksogoras buvo įsitikinę, kad bet kuri medžiaga susideda iš atomų. Gamtoje paplitusių medžiagų įvairovę jie aiškino atskirų atomų ryšiais. Jie manė, kad šios dalelės gali susimaišyti ir sudaryti naujas medžiagas. Tarp molekulinės-kinetinės teorijos, paaiškinusios difuzijos mechanizmą, įkūrėjų ypatingą vaidmenį atliko Michailas Lomonosovas. Jie apibrėžė molekulę, atomą ir paaiškino tirpimo mechanizmą.
Eksperimentai
Patirtis su cukrumi leidžia suprasti visas difuzijos ypatybes. Jei į š altą arbatą įdėsite gabalėlį cukraus, puodelio apačioje pamažu susidarys tirštas sirupas. Jis matomas plika akimi. Po kurio laiko sirupas tolygiai pasiskirstys visame skysčio tūryje ir nebebus matomas. Šis procesas vyksta spontaniškai ir nėra susijęs su tirpalo komponentų maišymu. Panašiai kvepalų kvapas pasklinda po visą kambarį.
Aukščiau pateikti eksperimentai rodo, kad difuzija yra spontaniškas vienos medžiagos molekulių prasiskverbimo į kitą procesas. Nepaisant gravitacijos, medžiaga plinta visomis kryptimis. Toks procesas yra tiesioginis medžiagos molekulių nuolatinio judėjimo patvirtinimas.
Taigi aukščiau pateiktame pavyzdyje vykdoma cukraus ir vandens molekulių difuzija, kurią lydi vienodas organinių medžiagų molekulių pasiskirstymas visame skysčio tūryje.
Eksperimentai leidžia aptikti difuziją ne tik skysčiuose, bet ir dujinėse medžiagose. Pavyzdžiui, ant svarstyklių galite sumontuoti indą su eterio garais. Palaipsniui puodeliai susibalansuos, tada eterio taurė bus sunkesnė. Kokia šio reiškinio priežastis?
Laikui bėgant eterio molekulės susimaišo su oro dalelėmis ir patalpoje pradeda jausti specifinį kvapą. Vidurinės mokyklos fizikos kurse svarstomas eksperimentas, kurio metu mokytojas ištirpina kalio permanganato (kalio permanganato) grūdelį vandenyje. Iš pradžių matoma aiški grūdų judėjimo trajektorija,bet palaipsniui visas tirpalas įgauna vienodą atspalvį. Remdamasis eksperimentu, mokytojas paaiškina difuzijos ypatybes.
Norėdami nustatyti veiksnius, turinčius įtakos proceso greičiui skysčiuose, galite naudoti skirtingos temperatūros vandenį. Karštame skystyje abipusio molekulių maišymosi procesas pastebimas daug greičiau, todėl tarp temperatūros reikšmės ir difuzijos greičio yra tiesioginis ryšys.
Išvada
Eksperimentai, atliekami su dujomis, skysčiais ir kietosiomis medžiagomis, leidžia suformuluoti fizikos dėsnius, nustatyti ryšį tarp atskirų dydžių.
Būtent eksperimentų rezultatas buvo nustatytas vienos medžiagos dalelių tarpusavio prasiskverbimo į kitą mechanizmas, įrodytas jų judėjimo chaotiškumas. Empiriškai buvo nustatyta, kad difuzija greičiausiai vyksta dujinėse medžiagose. Šis procesas yra labai svarbus laukinei gamtai, naudojamas moksle ir technologijose.
Šio reiškinio dėka išlaikoma vienalytė žemės atmosferos sudėtis. Priešingu atveju būtų stebimas troposferos sluoksniavimasis į atskiras dujines medžiagas, o sunkusis kvėpuoti netinkamas anglies dioksidas būtų arčiausiai mūsų planetos paviršiaus. Prie ko tai privestų? Laukiniai gyvūnai tiesiog nustotų egzistuoti.
Sklidimo vaidmuo augalų pasaulyje taip pat yra didelis. Vešlų medžių vainiką galima paaiškinti difuzijos mainais per lapų paviršių. Dėl to atliekamas ne tik kvėpavimas, bet ir medžio mityba. Šiuo metu žemės ūkyjenaudojamas krūmų ir medžių lapų šėrimas, kurio metu vainikas purškiamas specialiais cheminiais junginiais.
Būtent difuzijos metu augalas maistines medžiagas gauna iš dirvožemio. Su šiuo reiškiniu taip pat siejami fiziologiniai procesai, vykstantys gyvuose organizmuose. Pavyzdžiui, druskos balansas neįmanomas be difuzijos. Tokie procesai turi didelę reikšmę aprūpinant ežerus ir upes deguonimi. Dujos į rezervuaro gilumą patenka būtent difuzijos būdu. Jei tokio proceso nebūtų, gyvybė rezervuaro viduje nustotų egzistavusi.
Sklidimu pagrįstas ir vaistų, leidžiančių apsisaugoti nuo įvairių ligų sukėlėjų bei pagerinti savijautą, vartojimas. Šis reiškinys naudojamas suvirinant metalus, gaminant cukraus sultis iš burokėlių traškučių, ruošiant konditerijos gaminius. Sunku rasti tokią šiuolaikinės pramonės šaką, kurioje difuzija nebūtų naudojama.
