Začnimo z dejstvom, da je tekočina vmesno agregacijsko stanje. Pri kritičnem vrelišču je podoben plinom, pri nizkih temperaturah pa se pojavijo lastnosti, podobne trdni snovi. Tekočina nima idealnega modela, kar bistveno oteži opis njenih ravnotežnih termodinamičnih lastnosti, ledišča, viskoznosti, difuzije, toplotne prevodnosti, površinske napetosti, entropije, entalpije.
Definicija
Kaj je difuzija? To je širjenje, porazdelitev, gibanje delcev medija, kar vodi do prenosa snovi, vzpostavitve ravnotežnih koncentracij. V odsotnosti zunanjih vplivov je ta proces določen s toplotnim gibanjem delcev. V tem primeru je difuzijski proces neposredno sorazmeren s koncentracijo. Difuzijski tok se bo spremenil podobno kot gradient koncentracije.
Sorte
Če difuzija v tekočini poteka s spremembo temperature, se imenuje toplotna difuzija, v električnem polju pa elektrodifuzija.
Proces gibanja velikih delcev v tekočini ali plinu poteka podzakoni Brownovega gibanja.
Značilnosti toka
Difuzija v plinih, tekočinah in trdnih snoveh poteka z različnimi hitrostmi. Zaradi razlik v naravi toplotnega gibanja delcev v različnih medijih ima proces največjo hitrost v plinih, najmanjšo hitrost pa v trdnih snoveh.
Traktorija delca je lomljena črta, saj se smer in hitrost občasno spreminjata. Zaradi neurejenega gibanja opazimo postopno odstranjevanje delca iz prvotnega položaja. Njegov premik po ravni črti je veliko krajši od poti, ki poteka po prelomljeni poti.
Fickov zakon
Difuzija v tekočini upošteva dva Fickova zakona:
- gostota difuzijskega pretoka je neposredno sorazmerna s koncentracijo z difuzijskim koeficientom;
- Hitrost spremembe gostote difuzijskega pretoka je neposredno sorazmerna s hitrostjo spremembe koncentracije in ima nasprotno smer.
Difuzijo v tekočini so značilni skoki molekul iz enega ravnotežnega položaja v drugega. Vsak tak skok opazimo, ko se molekuli prenese energija v količini, ki zadostuje za prekinitev vezi z drugimi delci. Povprečni skok ne presega razdalje med molekulami.
Ko razpravljamo o tem, kaj je difuzija v tekočini, ugotavljamo, da je proces odvisen od temperature. Z njenim povečanjem pride do "zrahljanja" strukture tekočine, zaradi česar pride do močnega povečanjaštevilo skokov na enoto časa.
Difuzija v plinih, tekočinah in trdnih snoveh ima nekaj značilnih značilnosti. Na primer, v trdnih snoveh je mehanizem povezan s gibanjem atomov znotraj kristalne mreže.
Značilnosti pojava
Difuzija v tekočini je praktična zanimivost zaradi dejstva, da jo spremlja izenačitev koncentracije snovi v sprva nehomogenem mediju. Znatno več delcev uide iz območij z visoko koncentracijo.
Poskusi
Poskusi s tekočinami so pokazali, da je difuzija v kemijski kinetiki še posebej pomembna. Med potekom kemičnega procesa na površini reaktantov ali katalizatorja ta proces prispeva k določanju hitrosti odstranjevanja reakcijskih produktov in dodajanja začetnih reagentov.
Kaj pojasnjuje difuzijo v tekočinah? Molekule topila lahko prodrejo skozi prosojne membrane, kar povzroči osmotski tlak. Ta pojav je našel uporabo v kemičnih in fizikalnih metodah za ločevanje snovi.
biološki sistemi
V tem primeru lahko modele difuzije obravnavamo na primeru vstopa kisika zraka v pljuča, absorpcije prebavnih produktov iz črevesja v kri, absorpcije mineralnih elementov s koreninskimi dlakami. Difuzija ionov se pojavi med generiranjem bioelektričnih impulzov v mišičnih in živčnih celicah.
Fizični dejavnik, ki vplivaselektivnost kopičenja določenih elementov v celicah telesa je različna hitrost prodiranja ionov skozi celične membrane. Ta proces lahko izrazimo s Fickovim zakonom, pri čemer vrednost difuzijskega koeficienta nadomestimo s prepustnostjo membrane in namesto koncentracijskega gradienta uporabimo razliko v vrednostih na obeh straneh membrane. Z difuzijskim prodiranjem vode in plinov v celico se spreminjajo indikatorji osmotskega tlaka zunaj in znotraj celice.
Če analiziramo, od česa je odvisna difuzija, ugotavljamo, da obstaja več vrst tega procesa. Preprosta oblika je povezana s prostim prenosom ionov in molekul proti gradientu njihovega elektrokemičnega potenciala. Ta možnost je na primer primerna za tiste snovi, v katerih so molekule majhne velikosti, na primer metilni alkohol, voda.
Omejena različica predvideva šibek prenos snovi. Na primer, tudi majhni delci ne morejo prodreti v celico.
Zgodovinske strani
Difuzijo so odkrili v času razcveta starogrške kulture. Demokrit in Anaksogora sta bila prepričana, da je vsaka snov sestavljena iz atomov. Različnost snovi, ki so v naravi običajne, so razlagali s povezavami med posameznimi atomi. Domnevali so, da se ti delci lahko mešajo in tvorijo nove snovi. Med ustanovitelji molekularno-kinetične teorije, ki je pojasnila mehanizem difuzije, je imel posebno vlogo Mihail Lomonosov. Podali so definicijo molekule, atoma in razložili mehanizem raztapljanja.
Poskusi
Izkušnje s sladkorjem vam omogočajo razumevanje vseh značilnosti difuzije. Če v hladen čaj daš kos sladkorja, bo na dnu skodelice postopoma nastal gost sirup. Vidno je s prostim očesom. Čez nekaj časa se bo sirup enakomerno porazdelil po volumnu tekočine in ne bo več viden. Ta postopek poteka spontano in ne vključuje mešanja komponent raztopine. Podobno se dišava parfuma širi po prostoru.
Zgornji poskusi kažejo, da je difuzija spontan proces prodiranja molekul ene snovi v drugo. Širjenje snovi poteka v vse smeri, kljub prisotnosti gravitacije. Takšen proces je neposredna potrditev nenehnega gibanja molekul snovi.
Tako se v zgornjem primeru izvaja difuzija molekul sladkorja in vode, ki jo spremlja enakomerna porazdelitev molekul organske snovi po vsej prostornini tekočine.
Poskusi omogočajo odkrivanje difuzije ne samo v tekočinah, ampak tudi v plinastih snoveh. Na tehtnico lahko na primer namestite posodo z etrovimi hlapi. Postopoma bodo skodelice prišle v ravnovesje, potem bo kozarec etra težji. Kaj je razlog za ta pojav?
Sčasoma se molekule etra mešajo z delci zraka in v prostoru se začne čutiti specifičen vonj. Pri srednješolskem tečaju fizike se upošteva poskus, pri katerem učitelj raztopi zrno kalijevega permanganata (kalijevega permanganata) v vodi. Sprva je vidna jasna pot gibanja zrn,vendar postopoma celotna raztopina pridobi enoten odtenek. Na podlagi poskusa učitelj razloži značilnosti difuzije.
Za prepoznavanje dejavnikov, ki vplivajo na hitrost procesa v tekočinah, lahko uporabite vodo različnih temperatur. V vroči tekočini je proces medsebojnega mešanja molekul opazen veliko hitreje, zato obstaja neposredna povezava med temperaturno vrednostjo in hitrostjo difuzije.
Sklep
Poskusi s plini, tekočinami in trdnimi snovmi omogočajo formuliranje zakonov fizike, vzpostavitev razmerja med posameznimi količinami.
Kot rezultat eksperimentov je bil vzpostavljen mehanizem medsebojnega prodiranja delcev ene snovi v drugo, dokazana je kaotičnost njihovega gibanja. Empirično je bilo ugotovljeno, da difuzija poteka najhitreje v plinastih snoveh. Ta proces je zelo pomemben za prostoživeče živali, uporablja se v znanosti in tehnologiji.
Zahvaljujoč temu pojavu se ohranja homogena sestava zemeljske atmosfere. V nasprotnem primeru bi opazili razslojevanje troposfere na ločene plinaste snovi, težki ogljikov dioksid, neprimeren za dihanje, pa bi bil najbližje površini našega planeta. Kaj bi to pripeljalo? Divje živali bi preprosto prenehale obstajati.
Velika je tudi vloga difuzije v rastlinskem svetu. Bujno krošnjo dreves je mogoče razložiti z difuzijsko izmenjavo skozi površino listov. Posledično se izvaja ne samo dihanje, ampak tudi prehrana drevesa. Trenutno v kmetijstvuuporablja se foliarno hranjenje grmovnic in dreves, ki vključuje škropljenje krošnje s posebnimi kemičnimi spojinami.
Rastlina med difuzijo prejme hranila iz zemlje. S tem pojavom so povezani tudi fiziološki procesi, ki se pojavljajo v živih organizmih. Na primer, ravnovesje soli je nemogoče brez difuzije. Takšni procesi so zelo pomembni pri oskrbi jezer in rek s kisikom. Plin vstopa v globino rezervoarja ravno z difuzijo. Če takšnega procesa ne bi bilo, bi življenje v rezervoarju prenehalo obstajati.
Na difuziji temelji tudi vnos zdravil, ki človeku omogočajo, da se zaščiti pred povzročitelji različnih bolezni in izboljša počutje. Ta pojav se uporablja pri varjenju kovin, proizvodnji sladkornega soka iz sekancev pese in pripravi slaščic. Težko je najti tako vejo sodobne industrije, kjer se difuzija ne uporablja.
