Starp daudzajām fizikas parādībām difūzijas process ir viens no vienkāršākajiem un saprotamākajiem. Galu galā katru rītu, gatavojot sev smaržīgu tēju vai kafiju, cilvēkam ir iespēja praksē novērot šo reakciju. Uzzināsim vairāk par šo procesu un tā norises nosacījumiem dažādos kopsavilkuma stāvokļos.
Kas ir difūzija
Šis vārds attiecas uz vienas vielas molekulu vai atomu iekļūšanu starp līdzīgām citas vielas struktūrvienībām. Šajā gadījumā iekļūstošo savienojumu koncentrācija tiek izlīdzināta.
Šo procesu pirmo reizi detalizēti aprakstīja vācu zinātnieks Ādolfs Fiks 1855. gadā
Šī termina nosaukums tika izveidots no latīņu verbālā lietvārda diffusio (mijiedarbība, izkliede, izplatīšana).
Difūzija šķidrumā
Aplūkojamais process var notikt ar vielām visos trīs agregācijas stāvokļos: gāzveida, šķidrā un cietā. Lai iegūtu praktiskus piemērus, vienkārši apskatietvirtuve.
Plītī vārīts borščs ir viens no tiem. Temperatūras ietekmē glikozīna betanīna (viela, kuras dēļ bietēm ir tik piesātināta sarkana krāsa) molekulas vienmērīgi reaģē ar ūdens molekulām, piešķirot tai unikālu bordo nokrāsu. Šis gadījums ir difūzijas šķidrumos piemērs.
Papildus borščam šo procesu var redzēt arī tējas vai kafijas glāzē. Abiem šiem dzērieniem ir tik viendabīga bagātīga nokrāsa, pateicoties tam, ka tējas lapas vai kafijas daļiņas, izšķīdinot ūdenī, vienmērīgi izkliedējas starp tā molekulām, krāsojot to. Visu deviņdesmito gadu populāro šķīstošo dzērienu darbība ir veidota pēc viena principa: Yupi, Invite, Zuko.
Gāzu savstarpēja iespiešanās
Turpinot meklēt attiecīgā procesa izpausmes virtuvē, ir vērts pasmaržot un izbaudīt patīkamo aromātu, kas izplūst no svaigu ziedu pušķa uz pusdienu galda. Kāpēc tas notiek?
Smaku nesošie atomi un molekulas atrodas aktīvā kustībā un rezultātā tiek sajaukti ar daļiņām, kas jau atrodas gaisā, un ir diezgan vienmērīgi izkliedētas telpas tilpumā.
Tā ir difūzijas izpausme gāzēs. Ir vērts atzīmēt, ka pie aplūkojamā procesa pieder arī pati gaisa ieelpošana, kā arī ēstgribošā svaigi pagatavotā boršča smarža virtuvē.
Difūzija cietās vielās
Virtuves galds ar ziediem klāts ar spilgti dzeltenu galdautu. Viņa saņēma līdzīgu nokrāsu, pateicotiesdifūzijas spēja iziet cauri cietām vielām.
Process, kas audeklam piešķir viendabīgu nokrāsu, notiek vairākos posmos šādi.
- Dzeltenā pigmenta daļiņas izkliedējas tintes tvertnē šķiedru materiāla virzienā.
- Pēc tam tos absorbēja krāsotā auduma ārējā virsma.
- Nākamais solis atkal bija krāsvielas izkliedēšana, bet šoreiz tīkla šķiedrās.
- Finālā audums fiksēja pigmenta daļiņas, tādējādi kļūstot krāsainam.
Gāzu difūzija metālos
Parasti, runājot par šo procesu, apsveriet vielu mijiedarbību tādā pašā agregācijas stāvoklī. Piemēram, difūzija cietās vielās, cietās vielās. Lai pierādītu šo parādību, tiek veikts eksperiments ar divām metāla plāksnēm, kas ir piespiestas viena pret otru (zeltu un svinu). To molekulu savstarpēja iespiešanās aizņem diezgan ilgu laiku (viens milimetrs piecos gados). Šo procesu izmanto neparastu rotaslietu izgatavošanai.
Tomēr savienojumi dažādos agregātu stāvokļos arī spēj izkliedēties. Piemēram, cietās vielās notiek gāzu difūzija.
Eksperimentu laikā tika pierādīts, ka šāds process notiek atoma stāvoklī. Lai to aktivizētu, parasti ir nepieciešams ievērojams temperatūras un spiediena pieaugums.
Šādas gāzveida difūzijas cietās vielās piemērs ir ūdeņraža korozija. Tas izpaužas situācijās, kadŪdeņraža atomi (Н2), kas radušies kādas ķīmiskas reakcijas gaitā augstas temperatūras (no 200 līdz 650 grādiem pēc Celsija) ietekmē, iekļūst starp metāla strukturālajām daļiņām.
Papildus ūdeņradim cietās vielās var notikt arī skābekļa un citu gāzu difūzija. Šis acij nemanāmais process nodara lielu ļaunumu, jo tā dēļ var sabrukt metāla konstrukcijas.
Šķidrumu difūzija metālos
Tomēr cietās vielās var iekļūt ne tikai gāzes molekulas, bet arī šķidrumi. Tāpat kā ūdeņraža gadījumā, visbiežāk šis process izraisa koroziju (ja runa ir par metāliem).
Klasisks piemērs šķidruma difūzijai cietās vielās ir metālu korozija ūdens (H2O) vai elektrolītu šķīdumu ietekmē. Lielākajai daļai šis process ir pazīstams ar nosaukumu rūsēšana. Atšķirībā no ūdeņraža korozijas, praksē ar to nākas saskarties daudz biežāk.
Nosacījumi difūzijas paātrināšanai. Difūzijas koeficients
Izskatot vielas, kurās var notikt aplūkojamais process, ir vērts uzzināt par tā rašanās nosacījumiem.
Pirmkārt, difūzijas ātrums ir atkarīgs no mijiedarbībā esošo vielu agregāta stāvokļa. Jo lielāks ir materiāla blīvums, kurā notiek reakcija, jo lēnāks tās ātrums.
Šajā sakarā difūzija šķidrumos un gāzēs vienmēr būs aktīvāka nekā cietās vielās.
Piemēram, ja kristālikālija permanganāts KMnO4 (kālija permanganāts) iemet ūdenī, tie piešķirs skaistu aveņu krāsu pēc dažām minūtēm Krāsa. Tomēr, ja uz ledus gabala uzkaisīsiet KMnO4 kristālus un ieliksiet to visu saldētavā, pēc dažām stundām kālija permanganāts nevar pilnībā nokrāsot sasalušo H 2O.
No iepriekšējā piemēra var izdarīt vēl vienu secinājumu par difūzijas apstākļiem. Papildus agregācijas stāvoklim temperatūra ietekmē arī daļiņu savstarpējās iespiešanās ātrumu.
Lai apsvērtu aplūkojamā procesa atkarību no tā, ir vērts apgūt tādu jēdzienu kā difūzijas koeficients. Šis ir tā ātruma kvantitatīvā raksturlieluma nosaukums.
Lielākajā daļā formulu tas tiek apzīmēts ar lielo latīņu burtu D, un SI sistēmā to mēra kvadrātmetros sekundē (m²/s), dažreiz centimetros sekundē (cm2 /m).
Difūzijas koeficients ir vienāds ar vielas daudzumu, kas laika vienībā ir izkliedēts caur virsmas vienību, ar nosacījumu, ka blīvuma starpība abās virsmās (atrodas attālumā, kas vienāds ar garuma vienību) ir vienāda ar vienu. Kritēriji, kas nosaka D, ir tās vielas īpašības, kurā notiek pats daļiņu izkliedes process, un to veids.
Koeficienta atkarību no temperatūras var aprakstīt, izmantojot Arrēnija vienādojumu: D=D0exp(-E/TR).
Aplūkotajā formulā E ir minimālā enerģija, kas nepieciešama procesa aktivizēšanai; T - temperatūra (mēra Kelvinos, nevis Celsija); R-ideālai gāzei raksturīga gāzes konstante.
Papildus visam iepriekšminētajam difūzijas ātrumu cietās vielās, šķidrumos gāzēs ietekmē spiediens un starojums (induktīvs vai augstfrekvences). Turklāt daudz kas ir atkarīgs no katalītiskās vielas klātbūtnes, bieži vien tā darbojas kā aktivizētājs daļiņu aktīvai izkliedēšanai.
Difūzijas vienādojums
Šī parādība ir īpaša daļējā diferenciālvienādojuma forma.
Tā mērķis ir atrast vielas koncentrācijas atkarību no telpas lieluma un koordinātām (kurā tā izkliedējas), kā arī no laika. Šajā gadījumā dotais koeficients raksturo reakcijas vides caurlaidību.
Visbiežāk difūzijas vienādojumu raksta šādi: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
Tajā φ (t un r) ir izkliedējošās vielas blīvums punktā r laikā t. D (φ, r) - vispārināts difūzijas koeficients pie blīvuma φ punktā r.
∇ - vektoru diferenciālis operators, kura komponenti ir koordinātu daļēji atvasinājumi.
Kad difūzijas koeficients ir atkarīgs no blīvuma, vienādojums ir nelineārs. Kad nē - lineārs.
Ņemot vērā difūzijas definīciju un šī procesa iezīmes dažādās vidēs, var atzīmēt, ka tam ir gan pozitīvas, gan negatīvas puses.
