Sa maraming phenomena sa physics, ang proseso ng diffusion ay isa sa pinakasimple at naiintindihan. Pagkatapos ng lahat, tuwing umaga, inihahanda ang kanyang sarili ng mabangong tsaa o kape, ang isang tao ay may pagkakataon na obserbahan ang reaksyong ito sa pagsasanay. Matuto pa tayo tungkol sa prosesong ito at sa mga kundisyon para sa paglitaw nito sa iba't ibang pinagsama-samang estado.
Ano ang diffusion
Ang salitang ito ay tumutukoy sa pagtagos ng mga molekula o atomo ng isang sangkap sa pagitan ng magkatulad na mga yunit ng istruktura ng isa pa. Sa kasong ito, ang konsentrasyon ng mga tumatagos na compound ay leveled.
Ang prosesong ito ay unang inilarawan nang detalyado ng German scientist na si Adolf Fick noong 1855
Ang pangalan ng terminong ito ay nabuo mula sa Latin na verbal noun na diffusio (interaksyon, dispersion, distribution).
Pagsasabog sa isang likido
Ang prosesong isinasaalang-alang ay maaaring mangyari sa mga sangkap sa lahat ng tatlong estado ng pagsasama-sama: gas, likido at solid. Para sa mga praktikal na halimbawa nito, tingnan lamangkusina.
Stove-boiled borscht ay isa na rito. Sa ilalim ng impluwensya ng temperatura, ang mga molekula ng glucosin betanin (isang sangkap na dahil sa kung saan ang mga beet ay may napakagandang kulay na iskarlata) ay pantay na tumutugon sa mga molekula ng tubig, na nagbibigay ito ng isang natatanging kulay ng burgundy. Ang kasong ito ay isang halimbawa ng diffusion sa mga likido.
Bukod sa borscht, makikita rin ang prosesong ito sa isang baso ng tsaa o kape. Pareho sa mga inuming ito ay may isang pare-parehong mayaman na lilim dahil sa katotohanan na ang mga dahon ng tsaa o mga particle ng kape, na natutunaw sa tubig, ay pantay na kumakalat sa pagitan ng mga molekula nito, na nagpapakulay nito. Ang aksyon ng lahat ng sikat na instant drink noong dekada nobenta ay binuo sa parehong prinsipyo: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetration ng mga gas
Sa patuloy na pagtingin sa karagdagang mga pagpapakita ng prosesong pinag-uusapan sa kusina, sulit na singhot at tangkilikin ang kaaya-ayang aroma na nagmumula sa isang palumpon ng mga sariwang bulaklak sa hapag kainan. Bakit ito nangyayari?
Ang mga atomo at molekula na nagdadala ng amoy ay nasa aktibong paggalaw at, bilang resulta, ay nahahalo sa mga particle na nasa hangin na, at medyo pantay na nakakalat sa dami ng silid.
Ito ay isang manipestasyon ng diffusion sa mga gas. Kapansin-pansin na ang mismong paglanghap ng hangin ay kabilang din sa prosesong isinasaalang-alang, gayundin ang nakakatamis na amoy ng bagong lutong borscht sa kusina.
Pagsasabog sa mga solido
Ang mesa sa kusina na may mga bulaklak ay natatakpan ng matingkad na dilaw na mantel. Nakatanggap siya ng katulad na lilim salamat saang kakayahan ng diffusion na dumaan sa solids.
Ang proseso ng pagbibigay sa canvas ng ilang pare-parehong lilim ay nagaganap sa ilang yugto gaya ng sumusunod.
- Mga particle ng yellow pigment na nagkalat sa ink tank patungo sa fibrous material.
- Ang mga ito ay hinihigop ng panlabas na ibabaw ng tininang tela.
- Ang susunod na hakbang ay muling i-diffuse ang dye, ngunit sa pagkakataong ito sa mga hibla ng web.
- Sa huling bahagi, inayos ng tela ang mga particle ng pigment, kaya nagiging kulay.
Pagsasabog ng mga gas sa mga metal
Karaniwan, tungkol sa prosesong ito, isaalang-alang ang pakikipag-ugnayan ng mga sangkap sa parehong estado ng pagsasama-sama. Halimbawa, pagsasabog sa solids, solids. Upang patunayan ang hindi pangkaraniwang bagay na ito, ang isang eksperimento ay isinasagawa gamit ang dalawang metal na plato na pinindot laban sa isa't isa (ginto at tingga). Ang interpenetration ng kanilang mga molekula ay tumatagal ng medyo mahabang panahon (isang milimetro sa limang taon). Ginagamit ang prosesong ito sa paggawa ng hindi pangkaraniwang alahas.
Gayunpaman, ang mga compound sa iba't ibang pinagsama-samang estado ay may kakayahang mag-diffusing. Halimbawa, mayroong diffusion ng mga gas sa solids.
Sa panahon ng mga eksperimento, napatunayan na ang ganitong proseso ay nagaganap sa atomic state. Upang i-activate ito, bilang panuntunan, kailangan mo ng makabuluhang pagtaas sa temperatura at presyon.
Ang isang halimbawa ng naturang gaseous diffusion sa solids ay hydrogen corrosion. Ito ay nagpapakita ng sarili sa mga sitwasyon kung saanAng mga hydrogen atoms (Н2) na lumitaw sa kurso ng ilang kemikal na reaksyon sa ilalim ng impluwensya ng mataas na temperatura (mula 200 hanggang 650 degrees Celsius) ay tumagos sa pagitan ng mga structural particle ng metal.
Bukod sa hydrogen, ang diffusion ng oxygen at iba pang mga gas ay maaari ding mangyari sa mga solido. Ang prosesong ito, na hindi mahahalata ng mata, ay nagdudulot ng maraming pinsala, dahil maaaring gumuho ang mga istrukturang metal dahil dito.
Pagsasabog ng mga likido sa mga metal
Gayunpaman, hindi lamang mga molekula ng gas ang maaaring tumagos sa mga solido, kundi pati na rin sa mga likido. Tulad ng kaso ng hydrogen, kadalasan ang prosesong ito ay humahantong sa kaagnasan (pagdating sa mga metal).
Ang isang klasikong halimbawa ng liquid diffusion sa solids ay ang corrosion ng mga metal sa ilalim ng impluwensya ng tubig (H2O) o mga electrolyte solution. Para sa karamihan, ang prosesong ito ay mas pamilyar sa ilalim ng pangalan ng kalawang. Hindi tulad ng hydrogen corrosion, sa pagsasagawa, kailangan itong makaharap nang mas madalas.
Mga kundisyon para sa pagpapabilis ng diffusion. Diffusion coefficient
Pagkatapos ng pakikitungo sa mga sangkap kung saan maaaring mangyari ang prosesong isinasaalang-alang, ito ay nagkakahalaga ng pag-aaral tungkol sa mga kondisyon para sa paglitaw nito.
Una sa lahat, ang bilis ng diffusion ay depende sa pinagsama-samang estado ng mga nakikipag-ugnayang substance. Kung mas malaki ang density ng materyal kung saan nangyayari ang reaksyon, mas mabagal ang rate nito.
Kaugnay nito, ang diffusion sa mga likido at gas ay palaging magiging mas aktibo kaysa sa mga solid.
Halimbawa, kung ang mga kristalpotassium permanganate KMnO4 (potassium permanganate) itapon sa tubig, bibigyan nila ito ng magandang kulay ng raspberry sa loob ng ilang minuto Kulay. Gayunpaman, kung magwiwisik ka ng mga kristal ng KMnO4 sa isang piraso ng yelo at ilagay ang lahat sa freezer, pagkatapos ng ilang oras, ang potassium permanganate ay hindi ganap na makulayan ang nakapirming H 2O.
Mula sa nakaraang halimbawa, isa pang konklusyon tungkol sa mga kundisyon ng diffusion ang maaaring makuha. Bilang karagdagan sa estado ng pagsasama-sama, nakakaapekto rin ang temperatura sa rate ng interpenetration ng mga particle.
Upang isaalang-alang ang pag-asa ng prosesong isinasaalang-alang dito, ito ay nagkakahalaga ng pag-aaral tungkol sa naturang konsepto bilang ang diffusion coefficient. Ito ang pangalan ng quantitative na katangian ng bilis nito.
Sa karamihan ng mga formula, ito ay tinutukoy ng malaking Latin na letrang D at sa SI system ito ay sinusukat sa square meters per second (m² / s), minsan sa centimeters per second (cm2 /m).
Ang diffusion coefficient ay katumbas ng dami ng bagay na nakakalat sa isang unit surface sa loob ng isang unit ng oras, sa kondisyon na ang pagkakaiba ng density sa parehong surface (na matatagpuan sa layo na katumbas ng isang unit length) ay katumbas ng isa. Ang pamantayang tumutukoy sa D ay ang mga katangian ng sangkap kung saan nagaganap ang proseso ng pagkalat ng butil, at ang uri nito.
Ang dependence ng coefficient sa temperatura ay maaaring ilarawan gamit ang Arrhenius equation: D=D0exp(-E/TR).
Sa isinasaalang-alang na formula E ay ang pinakamababang enerhiya na kinakailangan upang maisaaktibo ang proseso; T - temperatura (sinusukat sa Kelvin, hindi Celsius); R-gas constant na katangian ng perpektong gas.
Bilang karagdagan sa lahat ng nasa itaas, ang rate ng diffusion sa solids, liquids sa gas ay apektado ng pressure at radiation (inductive o high-frequency). Bilang karagdagan, marami ang nakasalalay sa pagkakaroon ng isang catalytic substance, kadalasan ito ay nagsisilbing trigger para sa pagsisimula ng aktibong pagpapakalat ng mga particle.
Diffusion equation
Ang phenomenon na ito ay isang partikular na anyo ng partial differential equation.
Ang layunin nito ay mahanap ang dependence ng konsentrasyon ng isang substance sa laki at coordinate ng espasyo (kung saan ito nagkakalat), gayundin sa oras. Sa kasong ito, ang ibinigay na koepisyent ay nagpapakilala sa permeability ng medium para sa reaksyon.
Kadalasan, ang diffusion equation ay nakasulat tulad ng sumusunod: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
Sa loob nito φ (t at r) ay ang density ng nakakalat na substance sa punto r sa oras t. D (φ, r) - pangkalahatang diffusion coefficient sa density φ sa punto r.
∇ - vector differential operator na ang mga bahagi ay partial derivatives sa mga coordinate.
Kapag ang diffusion coefficient ay nakadepende sa density, ang equation ay non-linear. Kapag hindi - linear.
Napag-isipan ang kahulugan ng diffusion at ang mga tampok ng prosesong ito sa iba't ibang kapaligiran, mapapansing mayroon itong parehong positibo at negatibong panig.
