Med številnimi pojavi v fiziki je proces difuzije eden najpreprostejših in najbolj razumljivih. Navsezadnje ima človek vsako jutro, ko si pripravi dišeč čaj ali kavo, priložnost opazovati to reakcijo v praksi. Izvedemo več o tem procesu in pogojih za njegovo pojavljanje v različnih agregatnih stanjih.
Kaj je difuzija
Ta beseda se nanaša na prodiranje molekul ali atomov ene snovi med podobne strukturne enote druge. V tem primeru se koncentracija prodornih spojin izravna.
Ta proces je prvi podrobno opisal nemški znanstvenik Adolf Fick leta 1855
Ime tega izraza je nastalo iz latinskega besednega samostalnika diffusio (interakcija, disperzija, porazdelitev).
Difuzija v tekočini
Obravnavani proces se lahko zgodi s snovmi v vseh treh agregacijskih stanjih: plinastem, tekočem in trdnem. Za praktične primere tega le poglejtekuhinja.
Na štedilniku kuhan boršč je eden izmed njih. Pod vplivom temperature molekule glukozina betanina (snov, zaradi katere ima pesa tako bogato škrlatno barvo) enakomerno reagirajo z molekulami vode, kar ji daje edinstven bordo odtenek. Ta primer je primer difuzije v tekočinah.
Ta proces lahko poleg boršča opazimo tudi v kozarcu čaja ali kave. Obe pijači imata tako enoten bogat odtenek zaradi dejstva, da se delci čaja ali kave, ki se raztopijo v vodi, enakomerno porazdelijo med svojimi molekulami in jo obarvajo. Delovanje vseh priljubljenih instant pijač devetdesetih je zgrajeno po istem principu: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetracija plinov
Če še naprej iščemo manifestacije obravnavanega procesa v kuhinji, je vredno povohati in uživati v prijetni aromi, ki izhaja iz šopka svežega cvetja na jedilni mizi. Zakaj se to dogaja?
Atomi in molekule, ki nosijo vonj, so v aktivnem gibanju in se posledično pomešajo z delci, ki so že v zraku, in so dokaj enakomerno razpršeni v prostornini prostora.
To je manifestacija difuzije v plinih. Omeniti velja, da v obravnavani proces spada tudi sam vdih zraka, pa tudi okusen vonj sveže kuhanega boršča v kuhinji.
Difuzija v trdnih snoveh
Kuhinjska miza s cvetjem je pokrita s svetlo rumenim prtom. Podoben odtenek je prejela zahvaljujočsposobnost difuzije, da prehaja skozi trdne snovi.
Proces dajanja platnu enotne sence poteka v več fazah, kot sledi.
- Delci rumenega pigmenta razpršeni v rezervoarju za črnilo proti vlaknastemu materialu.
- Potem jih je absorbirala zunanja površina barvane tkanine.
- Naslednji korak je bil ponovno razpršitev barvila, vendar tokrat v vlakna spleta.
- V finalu je tkanina fiksirala pigmentne delce in tako postala obarvana.
Difuzija plinov v kovinah
Navadno, ko govorimo o tem procesu, pomislimo na interakcijo snovi v istem agregacijskem stanju. Na primer, difuzija v trdnih snoveh, trdnih snoveh. Za dokaz tega pojava se izvede poskus z dvema kovinskima ploščama, pritisnjenima ena na drugo (zlato in svinec). Interpenetracija njihovih molekul traja precej dolgo (en milimeter v petih letih). Ta postopek se uporablja za izdelavo nenavadnega nakita.
Vendar pa so spojine v različnih agregatnih stanjih sposobne tudi difuzije. Na primer, obstaja difuzija plinov v trdnih snoveh.
Med poskusi je bilo dokazano, da tak proces poteka v atomskem stanju. Za aktiviranje je praviloma potrebno znatno povečanje temperature in tlaka.
Primer takšne plinaste difuzije v trdnih snoveh je vodikova korozija. Pojavlja se v situacijah, koMed strukturne delce kovine prodrejo vodikovi atomi (N2), ki so nastali med kemično reakcijo pod vplivom visokih temperatur (od 200 do 650 stopinj Celzija).
Poleg vodika se lahko v trdnih snoveh pojavi tudi difuzija kisika in drugih plinov. Ta proces, za oko neopazen, naredi veliko škode, saj se lahko zaradi njega zrušijo kovinske konstrukcije.
Difuzija tekočin v kovinah
Vendar v trdne snovi ne morejo prodreti samo molekule plina, ampak tudi tekočine. Tako kot v primeru vodika ta proces najpogosteje vodi do korozije (ko gre za kovine).
Klasičen primer difuzije tekočine v trdnih snoveh je korozija kovin pod vplivom vode (H2O) ali raztopin elektrolitov. Večini je ta proces bolj znan pod imenom rjavenje. Za razliko od vodikove korozije se je v praksi z njo treba srečevati veliko pogosteje.
Pogoji za pospeševanje difuzije. Difuzijski koeficient
Ko smo obravnavali snovi, v katerih lahko pride do obravnavanega procesa, se je vredno poučiti o pogojih za njegov nastanek.
Najprej je hitrost difuzije odvisna od agregatnega stanja medsebojno delujočih snovi. Večja kot je gostota materiala, v katerem se reakcija pojavi, počasnejša je njena hitrost.
V zvezi s tem bo difuzija v tekočinah in plinih vedno bolj aktivna kot v trdnih snoveh.
Na primer, če so kristalikalijev permanganat KMnO4 (kalijev permanganat) vrzi v vodo, dali mu bodo čudovito malinasto barvo v nekaj minutah Barva. Če pa potresete kristale KMnO4 na kos ledu in vse skupaj postavite v zamrzovalnik, se bo po nekaj urah kalijev permanganat ne morem popolnoma obarvati zamrznjenega H 2O.
Iz prejšnjega primera lahko potegnemo še en zaključek o pogojih difuzije. Poleg agregacijskega stanja temperatura vpliva tudi na hitrost medsebojnega prodiranja delcev.
Da bi razmislili o odvisnosti obravnavanega procesa od njega, se je vredno poučiti o takem konceptu, kot je difuzijski koeficient. To je ime kvantitativne značilnosti njegove hitrosti.
V večini formul je označen z veliko latinsko črko D, v sistemu SI pa se meri v kvadratnih metrih na sekundo (m²/s), včasih v centimetrih na sekundo (cm2 /m).
Difuzijski koeficient je enak količini snovi, raztresene po enoti površine v časovni enoti, pod pogojem, da je razlika v gostoti na obeh površinah (ki se nahajata na razdalji, enaki dolžini enote) enaka ena. Kriteriji, ki določajo D, so lastnosti snovi, v kateri poteka sam proces sipanja delcev, in njihova vrsta.
Odvisnost koeficienta od temperature lahko opišemo z Arrheniusovo enačbo: D=D0exp(-E/TR).
V obravnavani formuli je E minimalna energija, potrebna za aktiviranje procesa; T - temperatura (merjena v Kelvinih, ne v Celzijih); R-plinska konstanta, značilnost idealnega plina.
Poleg vsega naštetega na hitrost difuzije v trdnih snoveh, tekočinah v plinih vplivata tlak in sevanje (induktivno ali visokofrekvenčno). Poleg tega je veliko odvisno od prisotnosti katalitične snovi, pogosto deluje kot sprožilec za začetek aktivne disperzije delcev.
Difuzijska enačba
Ta pojav je posebna oblika delne diferencialne enačbe.
Njen cilj je najti odvisnost koncentracije snovi od velikosti in koordinat prostora (v katerem se razprši), pa tudi od časa. V tem primeru podani koeficient označuje prepustnost medija za reakcijo.
Najpogosteje je difuzijska enačba zapisana takole: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
V njej je φ (t in r) gostota razpršilne snovi v točki r v času t. D (φ, r) - posplošen difuzijski koeficient pri gostoti φ v točki r.
∇ - vektorski diferencialni operator, katerega komponente so delne izpeljanke v koordinatah.
Ko je difuzijski koeficient odvisen od gostote, je enačba nelinearna. Ko ne - linearno.
Po preučitvi definicije difuzije in značilnosti tega procesa v različnih okoljih lahko ugotovimo, da ima tako pozitivne kot negativne strani.
