Sāksim ar faktu, ka šķidrums ir agregācijas starpstāvoklis. Kritiskajā viršanas temperatūrā tas ir līdzīgs gāzēm, un zemā temperatūrā parādās cietai vielai līdzīgas īpašības. Šķidrumam nav ideāla modeļa, kas ievērojami sarežģī tā līdzsvara termodinamisko īpašību, sasalšanas punkta, viskozitātes, difūzijas, siltumvadītspējas, virsmas spraiguma, entropijas, entalpijas aprakstu.
Definīcija
Kas ir difūzija? Tā ir barotnes daļiņu izplatīšanās, izplatīšana, kustība, kas noved pie vielas pārneses, līdzsvara koncentrāciju izveidošanas. Ja nav ārējas ietekmes, šo procesu nosaka daļiņu termiskā kustība. Šajā gadījumā difūzijas process ir tieši proporcionāls koncentrācijai. Difūzijas plūsma mainīsies līdzīgi kā koncentrācijas gradients.
Šķirnes
Ja difūzija šķidrumā notiek, mainoties temperatūrai, to sauc par termisko difūziju, elektriskajā laukā - elektrodifūziju.
Lielu daļiņu kustības process šķidrumā vai gāzē notiek zemBrauna kustības likumi.
Plūsmas funkcijas
Difūzija gāzēs, šķidrumos un cietās vielās notiek dažādos ātrumos. Daļiņu termiskās kustības rakstura atšķirību dēļ dažādās vidēs procesa maksimālais ātrums ir gāzēs, bet minimālais ātrums - cietās vielās.
Daļiņas trajektorija ir lauzta līnija, jo virziens un ātrums periodiski mainās. Nesakārtotas kustības dēļ tiek novērota daļiņas pakāpeniska izņemšana no sākotnējās pozīcijas. Tā pārvietojums pa taisnu līniju ir daudz īsāks nekā ceļš, kas notiek pa šķelto ceļu.
Fika likums
Difūzija šķidrumā atbilst diviem Fika likumiem:
- difūzijas plūsmas blīvums ir tieši proporcionāls koncentrācijai ar difūzijas koeficientu;
- Difūzijas plūsmas blīvuma izmaiņu ātrums ir tieši proporcionāls koncentrācijas izmaiņu ātrumam un tam ir pretējs virziens.
Difūziju šķidrumā raksturo molekulu lēcieni no viena līdzsvara stāvokļa citā. Katrs šāds lēciens tiek novērots, kad molekulai tiek nodota enerģija tādā apjomā, kas ir pietiekams, lai pārtrauktu saikni ar citām daļiņām. Vidējais lēciens nepārsniedz attālumu starp molekulām.
Apspriežot, kas ir difūzija šķidrumā, mēs atzīmējam, ka process ir atkarīgs no temperatūras. Palielinoties, notiek šķidruma struktūras “atslābināšana”, kā rezultātā strauji palielināslēcienu skaits laika vienībā.
Difūzijai gāzēs, šķidrumos un cietās vielās ir dažas atšķirīgas īpašības. Piemēram, cietās vielās mehānisms ir saistīts ar atomu kustību kristāla režģī.
Parādības pazīmes
Difūzija šķidrumā rada praktisku interesi, jo to pavada vielas koncentrācijas izlīdzināšana sākotnēji nehomogēnā vidē. Ievērojami vairāk daļiņu izplūst no apgabaliem ar augstu koncentrāciju.
Eksperimenti
Eksperimenti ar šķidrumiem ir parādījuši, ka difūzijai ir īpaša nozīme ķīmiskajā kinētikā. Ķīmiskā procesa gaitā uz reaģentu vai katalizatora virsmas šis process palīdz noteikt reakcijas produktu atdalīšanas ātrumu un pievienot sākotnējos reaģentus.
Kas izskaidro difūziju šķidrumos? Šķīdinātāja molekulas spēj iekļūt caur caurspīdīgām membrānām, kā rezultātā rodas osmotiskais spiediens. Šī parādība ir izmantota ķīmiskās un fizikālās vielu atdalīšanas metodēs.
Bioloģiskās sistēmas
Šajā gadījumā var aplūkot difūzijas modeļus, piemēram, gaisa skābekļa iekļūšanu plaušās, gremošanas produktu uzsūkšanos no zarnām asinīs, minerālu elementu uzsūkšanos ar sakņu matiņiem. Jonu difūzija notiek muskuļu un nervu šūnu bioelektrisko impulsu ģenerēšanas laikā.
Fiziskais faktors, kas ietekmēnoteiktu elementu uzkrāšanās selektivitāte ķermeņa šūnās ir atšķirīgs jonu iekļūšanas ātrums caur šūnu membrānām. Šo procesu var izteikt ar Fika likumu, difūzijas koeficienta vērtību aizstājot ar membrānas caurlaidību, un koncentrācijas gradienta vietā izmantot vērtību atšķirību abās membrānas pusēs. Līdz ar ūdens un gāzu difūzijas iekļūšanu šūnā mainās osmotiskā spiediena indikatori šūnas ārpusē un iekšpusē.
Analizējot, no kā ir atkarīga difūzija, mēs atzīmējam, ka ir vairāki šī procesa veidi. Vienkāršā forma ir saistīta ar jonu un molekulu brīvu pārnešanu uz to elektroķīmiskā potenciāla gradientu. Piemēram, šī opcija ir piemērota tām vielām, kurās molekulas ir mazas, piemēram, metilspirtam, ūdenim.
Ierobežots variants paredz vāju vielas pārnesi. Piemēram, pat mazas daļiņas nevar iekļūt šūnā.
Vēstures lapas
Difūzija tika atklāta senās Grieķijas kultūras ziedu laikos. Demokrits un Anaksogors bija pārliecināti, ka jebkura viela sastāv no atomiem. Viņi izskaidroja dabā izplatīto vielu daudzveidību ar savienojumiem starp atsevišķiem atomiem. Viņi pieņēma, ka šīs daļiņas var sajaukties, veidojot jaunas vielas. Starp molekulāri-kinētiskās teorijas dibinātājiem, kas izskaidro difūzijas mehānismu, īpaša loma bija Mihailam Lomonosovam. Viņi deva definīciju molekulai, atomam un izskaidroja izšķīšanas mehānismu.
Eksperimenti
Pieredze ar cukuru ļauj izprast visas difūzijas pazīmes. Ja aukstā tējā ieliekat gabaliņu cukura, tasītes apakšā pamazām veidosies biezs sīrups. Tas ir redzams ar neapbruņotu aci. Pēc kāda laika sīrups vienmērīgi izkliedēsies visā šķidruma tilpumā un vairs nebūs redzams. Šis process norit spontāni un neietver šķīduma sastāvdaļu sajaukšanu. Līdzīgi smaržu aromāts izplatās visā telpā.
Iepriekš minētie eksperimenti parāda, ka difūzija ir spontāns process, kurā vienas vielas molekulas iekļūs citā. Vielas izplatīšanās notiek visos virzienos, neskatoties uz gravitācijas klātbūtni. Šāds process ir tiešs apstiprinājums matērijas molekulu pastāvīgajai kustībai.
Tādējādi iepriekš minētajā piemērā tiek veikta cukura un ūdens molekulu difūzija, ko pavada vienmērīgs organisko vielu molekulu sadalījums visā šķidruma tilpumā.
Eksperimenti ļauj noteikt difūziju ne tikai šķidrumos, bet arī gāzveida vielās. Piemēram, uz svariem varat uzstādīt trauku ar ētera tvaikiem. Pamazām krūzes nonāks līdzsvarā, tad ētera glāze būs smagāka. Kāds ir šīs parādības iemesls?
Ar laiku ētera molekulas sajaucas ar gaisa daļiņām, un telpā sāk just specifisku smaržu. Vidusskolas fizikas kursā tiek aplūkots eksperiments, kurā skolotājs ūdenī izšķīdina kālija permanganāta (kālija permanganāta) graudiņu. Sākumā ir redzama skaidra graudu kustības trajektorija,bet pamazām viss risinājums iegūst viendabīgu nokrāsu. Pamatojoties uz eksperimentu, skolotājs izskaidro difūzijas pazīmes.
Lai noteiktu faktorus, kas ietekmē procesa ātrumu šķidrumos, varat izmantot dažādas temperatūras ūdeni. Karstā šķidrumā molekulu savstarpējās sajaukšanās process tiek novērots daudz ātrāk, tāpēc pastāv tieša saistība starp temperatūras vērtību un difūzijas ātrumu.
Secinājums
Eksperimenti, kas veikti ar gāzēm, šķidrumiem un cietām vielām, ļauj formulēt fizikas likumus, noteikt attiecības starp atsevišķiem lielumiem.
Tieši eksperimentu rezultātā tika noskaidrots vienas vielas daļiņu savstarpējās iekļūšanas mehānisms citā, tika pierādīts to kustības haotiskais raksturs. Empīriski tika konstatēts, ka difūzija visātrāk notiek gāzveida vielās. Šis process ir ļoti svarīgs savvaļas dzīvniekiem, tiek izmantots zinātnē un tehnoloģijā.
Pateicoties šai parādībai, tiek saglabāts viendabīgs Zemes atmosfēras sastāvs. Pretējā gadījumā tiktu novērota troposfēras noslāņošanās atsevišķās gāzveida vielās, un mūsu planētas virsmai vistuvāk atrastos smagais, elpošanai nederīgais oglekļa dioksīds. Pie kā tas novestu? Savvaļas dzīvnieki vienkārši beigtu pastāvēt.
Arī difūzijas loma augu pasaulē ir liela. Leknais koku vainags izskaidrojams ar difūzijas apmaiņu caur lapu virsmu. Rezultātā tiek veikta ne tikai elpošana, bet arī koka uzturs. Šobrīd lauksaimniecībātiek izmantota krūmu un koku lapu barošana, kas ietver vainaga apsmidzināšanu ar īpašiem ķīmiskiem savienojumiem.
Tieši difūzijas laikā augs saņem barības vielas no augsnes. Ar šo parādību ir saistīti arī fizioloģiskie procesi, kas notiek dzīvos organismos. Piemēram, sāls līdzsvars nav iespējams bez difūzijas. Šādiem procesiem ir liela nozīme ezeru un upju apgādē ar skābekli. Gāze nonāk rezervuāra dziļumos precīzi difūzijas ceļā. Ja šāda procesa nebūtu, dzīvība rezervuārā beigtu pastāvēt.
Uz difūziju balstās arī tādu zāļu uzņemšana, kas ļauj cilvēkam pasargāt sevi no dažādu slimību patogēniem un uzlabo pašsajūtu. Šo parādību izmanto metālu metināšanā, cukura sulas ražošanā no biešu čipsiem un konditorejas izstrādājumu gatavošanā. Grūti atrast tādu modernās rūpniecības nozari, kur difūziju neizmanto.
