Među brojnim pojavama u fizici, proces difuzije je jedan od najjednostavnijih i najrazumljivijih. Uostalom, svako jutro, pripremajući sebi mirisni čaj ili kafu, osoba ima priliku promatrati ovu reakciju u praksi. Hajde da saznamo više o ovom procesu i uslovima za njegovo pojavljivanje u različitim agregatnim stanjima.
Šta je difuzija
Ova riječ se odnosi na prodor molekula ili atoma jedne supstance između sličnih strukturnih jedinica druge. U ovom slučaju se koncentracija penetrirajućih spojeva izravnava.
Ovaj proces prvi je detaljno opisao njemački naučnik Adolf Fick 1855.
Naziv ovog pojma nastao je od latinske verbalne imenice diffusio (interakcija, disperzija, distribucija).
Difuzija u tečnosti
Proces koji se razmatra može se desiti sa supstancama u sva tri agregatna stanja: gasovito, tečno i čvrsto. Za praktične primjere ovoga, samo pogledajtekuhinja.
Boršč kuhan u šporetu je jedan od njih. Pod utjecajem temperature, molekuli glukozina betanina (tvar zbog koje cvekla ima tako bogatu grimiznu boju) ravnomjerno reagiraju s molekulima vode, dajući joj jedinstvenu bordo nijansu. Ovaj slučaj je primjer difuzije u tekućinama.
Pored boršu, ovaj proces se može vidjeti i u čaši čaja ili kafe. Oba ova pića imaju tako ujednačenu bogatu nijansu zbog činjenice da se listovi čaja ili čestice kafe, otapajući se u vodi, ravnomjerno šire između svojih molekula, bojeći ga. Akcija svih popularnih instant napitaka devedesetih izgrađena je na istom principu: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetracija gasova
Nastavljajući dalje tražiti manifestacije dotičnog procesa u kuhinji, vrijedi njuškati i uživati u ugodnoj aromi koja izbija iz buketa svježeg cvijeća na stolu za ručavanje. Zašto se ovo dešava?
Atomi i molekuli koji nose miris su u aktivnom kretanju i, kao rezultat toga, pomiješani su s česticama koje su već u zraku, i prilično su ravnomjerno raspoređene u volumenu prostorije.
Ovo je manifestacija difuzije u gasovima. Vrijedi napomenuti da u proces koji se razmatra spada i samo udisanje zraka, kao i ukusan miris svježe skuvanog boršča u kuhinji.
Difuzija u čvrstim materijama
Kuhinjski sto sa cvijećem prekriven je jarko žutim stolnjakom. Sličnu nijansu dobila je zahvaljujućisposobnost difuzije da prolazi kroz čvrste materije.
Proces davanja ujednačene nijanse platnu odvija se u nekoliko faza kako slijedi.
- Čestice žutog pigmenta raspršene u rezervoaru za mastilo prema vlaknastom materijalu.
- Potom ih je apsorbirala vanjska površina obojene tkanine.
- Sljedeći korak je ponovo bio raspršivanje boje, ali ovaj put u vlakna mreže.
- U finalu, tkanina je fiksirala čestice pigmenta, čime je postala obojena.
Difuzija gasova u metalima
Obično, govoreći o ovom procesu, razmatramo interakciju supstanci u istom agregacijskom stanju. Na primjer, difuzija u čvrstim, čvrstim materijama. Da bi se dokazao ovaj fenomen, izveden je eksperiment s dvije metalne ploče pritisnute jedna na drugu (zlato i olovo). Interpenetracija njihovih molekula traje prilično dugo (jedan milimetar u pet godina). Ovaj proces se koristi za izradu neobičnog nakita.
Međutim, jedinjenja u različitim agregatnim stanjima su takođe sposobna za difuziju. Na primjer, postoji difuzija plinova u čvrstim tvarima.
Tokom eksperimenata je dokazano da se takav proces odvija u atomskom stanju. Da biste ga aktivirali, u pravilu vam je potrebno značajno povećanje temperature i pritiska.
Primer takve difuzije gasova u čvrstim materijama je korozija vodonika. Ona se manifestuje u situacijama kadaAtomi vodonika (N2) koji su nastali u toku neke hemijske reakcije pod uticajem visokih temperatura (od 200 do 650 stepeni Celzijusa) prodiru između strukturnih čestica metala.
Pored vodonika, difuzija kiseonika i drugih gasova može se desiti iu čvrstim materijama. Ovaj proces, neprimjetan za oko, čini mnogo štete, jer se metalne konstrukcije zbog njega mogu urušiti.
Difuzija tečnosti u metalima
Međutim, ne samo da molekuli plina mogu prodrijeti u čvrste tvari, već iu tekućine. Kao iu slučaju vodonika, ovaj proces najčešće dovodi do korozije (kada su metali u pitanju).
Klasičan primjer difuzije tekućine u čvrstim tvarima je korozija metala pod utjecajem vode (H2O) ili otopina elektrolita. Većini je ovaj proces poznatiji pod nazivom hrđanje. Za razliku od vodonične korozije, u praksi se ona mora susresti mnogo češće.
Uslovi za ubrzanje difuzije. Koeficijent difuzije
Kada smo se pozabavili supstancama u kojima se proces koji se razmatra može dogoditi, vrijedi naučiti o uslovima za njegovo nastanak.
Pre svega, brzina difuzije zavisi od agregatnog stanja supstanci u interakciji. Što je veća gustina materijala u kojem se reakcija odvija, to je njena brzina sporija.
U tom pogledu, difuzija u tečnostima i gasovima će uvek biti aktivnija nego u čvrstim materijama.
Na primjer, ako su kristalikalijum permanganat KMnO4 (kalijum permanganat) bacite u vodu, daće joj prelepu boju maline za nekoliko minuta Boja. Međutim, ako pospite kristale KMnO4 na komad leda i sve to stavite u zamrzivač, nakon nekoliko sati, kalijum permanganat će ne mogu u potpunosti obojiti zamrznutu H 2O.
Iz prethodnog primjera može se izvući još jedan zaključak o uslovima difuzije. Osim agregacijskog stanja, temperatura također utiče na brzinu međusobnog prožimanja čestica.
Da bismo razmotrili ovisnost procesa koji se razmatra o njemu, vrijedi naučiti o takvom konceptu kao što je koeficijent difuzije. Ovo je naziv kvantitativne karakteristike njegove brzine.
U većini formula označava se velikim latiničnim slovom D, a u SI sistemu se mjeri u kvadratnim metrima u sekundi (m²/s), ponekad u centimetrima u sekundi (cm2 /m).
Koeficijent difuzije je jednak količini materije rasute kroz jediničnu površinu u jedinici vremena, pod uslovom da je razlika gustine na obe površine (koje se nalaze na udaljenosti jednakoj jediničnoj dužini) jednaka jedan. Kriterijumi koji određuju D su svojstva supstance u kojoj se odvija sam proces raspršivanja čestica i njihov tip.
Zavisnost koeficijenta od temperature može se opisati pomoću Arrheniusove jednačine: D=D0exp(-E/TR).
U razmatranoj formuli E je minimalna energija potrebna za aktiviranje procesa; T - temperatura (mjerena u Kelvinima, a ne u Celzijusima); R-gasna konstanta karakteristika idealnog gasa.
Pored svega navedenog, na brzinu difuzije u čvrstim materijama, tečnostima u gasovima utiču pritisak i zračenje (induktivno ili visokofrekventno). Osim toga, mnogo ovisi o prisutnosti katalitičke tvari, često djeluje kao okidač za početak aktivne disperzije čestica.
Difuziona jednačina
Ovaj fenomen je poseban oblik parcijalne diferencijalne jednadžbe.
Njen cilj je da pronađe zavisnost koncentracije supstance od veličine i koordinata prostora (u kojem difunduje), kao i od vremena. U ovom slučaju, dati koeficijent karakterizira propusnost medija za reakciju.
Najčešće se jednačina difuzije piše na sljedeći način: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
U njemu je φ (t i r) gustina raspršivačke supstance u tački r u trenutku t. D (φ, r) - generalizirani koeficijent difuzije pri gustini φ u tački r.
∇ - vektorski diferencijalni operator čije su komponente parcijalne derivacije u koordinatama.
Kada koeficijent difuzije zavisi od gustine, jednačina je nelinearna. Kada ne - linearno.
Razmatrajući definiciju difuzije i karakteristike ovog procesa u različitim okruženjima, može se primijetiti da on ima i pozitivne i negativne strane.
