Diffúzió
A diffúzióra példa a gázok keveredése (például a szagok terjedése) vagy a folyadékok (ha tintát cseppent a vízbe, a folyadék egy idő után egyenletes színűvé válik). Egy másik példa a szilárd testhez kapcsolódik: a szomszédos fémek atomjai az érintkezési határon keverednek. A részecskék diffúziója fontos szerepet játszik a plazmafizikában.
Általában diffúzió alatt az anyag átadásával járó folyamatokat értjük, néha azonban más átviteli folyamatokat is diffúziónak neveznek: hővezető képesség, viszkózus súrlódás stb.
A diffúzió sebessége sok tényezőtől függ. Tehát egy fémrúd esetében a hődiffúzió nagyon gyorsan megy végbe. Ha a rúd szintetikus anyagból készül, a hődiffúzió lassan megy végbe. A molekulák diffúziója általában még lassabban megy végbe. Például, ha egy darab cukrot leeresztenek egy pohár víz aljára, és a vizet nem keverik, több hétbe telhet, amíg az oldat homogénné válik. Még lassabb az egyik szilárd anyag diffúziója a másikba. Például, ha a rezet arannyal vonják be, akkor az arany rézré diffúziója megy végbe, de normál körülmények között (szobahőmérséklet és légköri nyomás) az aranyat hordozó réteg csak több ezer év múlva éri el a több mikronos vastagságot.
A diffúziós folyamatok kvantitatív leírását A. Fick német fiziológus ( angol) 1855-ben
Általános leírása
A diffúzió minden típusa ugyanazoknak a törvényeknek engedelmeskedik. A diffúziós sebesség arányos a minta keresztmetszeti területével, valamint a koncentrációk, hőmérsékletek vagy töltések különbségével (ha ezeknek a paramétereknek viszonylag kis értékei vannak). Így a hő négyszer gyorsabban halad át egy két centiméter átmérőjű rúdon, mint egy egy centiméter átmérőjű rúdon. Ez a hő gyorsabban terjed, ha a hőmérséklet-különbség centiméterenként 10°C 5°C helyett. A diffúziós sebesség is arányos az adott anyagot jellemző paraméterrel. Hődiffúzió esetén ezt a paramétert hővezető képességnek, elektromos töltések áramlása esetén elektromos vezetőképességnek nevezik. Egy adott idő alatt kidiffundáló anyag mennyisége és a diffundáló anyag által megtett távolság arányos a diffúziós idő négyzetgyökével.
A diffúzió molekuláris szintű folyamat, amelyet az egyes molekulák mozgásának véletlenszerű természete határozza meg. A diffúziós sebesség tehát arányos a molekulák átlagos sebességével. Gázok esetén a kis molekulák átlagsebessége nagyobb, vagyis fordítottan arányos a molekula tömegének négyzetgyökével, és a hőmérséklet emelkedésével növekszik. Diffúziós folyamatok szilárd anyagokban at magas hőmérsékletek gyakran megtalálható gyakorlati használat. Például bizonyos típusú katódsugárcsövek (CRT) fémes tóriumot használnak, amely 2000 °C-on fémes volfrámon keresztül van diffundálva.
Ha gázkeverékben az egyik molekula tömege négyszer nagyobb, mint a másiké, akkor egy ilyen molekula kétszer lassabban mozog, mint egy tiszta gázban. Ennek megfelelően a diffúziós sebessége is kisebb. A könnyű és nehéz molekulák diffúziós sebességének ezt a különbségét a különböző molekulatömegű anyagok elkülönítésére használják. Ilyen például az izotópszétválasztás. Ha egy porózus membránon két izotópot tartalmazó gázt vezetünk át, a könnyebb izotópok gyorsabban hatolnak át a membránon, mint a nehezebbek. A jobb elválasztás érdekében az eljárást több szakaszban hajtják végre. Ezt az eljárást széles körben alkalmazzák az uránizotópok szétválasztására (235 U elválasztása a 238 U nagy részétől). Mivel ez az elválasztási módszer energiaigényes, más, gazdaságosabb elválasztási módszereket fejlesztettek ki. Például a hődiffúzió gázhalmazállapotú közegben történő alkalmazása széles körben elterjedt. Az izotópok keverékét tartalmazó gázt egy kamrába helyezzük, amelyben a térbeli hőmérséklet-különbség (gradiens) megmarad. Ebben az esetben a nehéz izotópok idővel a hideg régióban koncentrálódnak.
Fick egyenletei
A termodinamika szempontjából minden szintezési folyamat hajtóereje az entrópia növekedése. Állandó nyomáson és hőmérsékleten az ilyen potenciál szerepét a kémiai potenciál játssza µ , ami az anyagáramlás fenntartását okozza. Az anyagrészecskék fluxusa arányos a potenciális gradienssel
~A legtöbb gyakorlati esetben a koncentrációt használják a kémiai potenciál helyett C. Közvetlen csere µ a C nagy koncentrációk esetén hibássá válik, mivel a kémiai potenciál a logaritmikus törvény szerint megszűnik a koncentrációhoz kötni. Ha nem vesszük figyelembe az ilyen eseteket, akkor a fenti képlet a következővel helyettesíthető:
ami azt mutatja, hogy az anyag fluxussűrűsége J arányos a diffúziós együtthatóval D[()] és a koncentráció gradiens. Ez az egyenlet fejezi ki Fick első törvényét. Fick második törvénye a koncentráció térbeli és időbeli változásaira vonatkozik (diffúziós egyenlet):
Diffúziós együttható D hőmérséklet függő. Számos esetben széles hőmérsékleti tartományban ez a függés az Arrhenius-egyenlet.
A kémiai potenciálgradienssel párhuzamosan alkalmazott további mező megtöri az egyensúlyi állapotot. Ebben az esetben a diffúziós folyamatokat a nemlineáris Fokker-Planck egyenlet írja le. A diffúziós folyamatok nagy jelentőséggel bírnak a természetben:
- Állatok és növények táplálkozása, légzése;
- Az oxigén behatolása a vérből az emberi szövetekbe.
A Fick-egyenlet geometriai leírása
A második Fick-egyenletben a bal oldalon a koncentráció időbeli változásának sebessége, az egyenlet jobb oldalán pedig a második parciális derivált található, amely a koncentráció térbeli eloszlását, különösen a hőmérséklet konvexitását fejezi ki. eloszlásfüggvény az x tengelyre vetítve.
Lásd még
- A felületi diffúzió egy olyan folyamat, amely a kondenzált test felületén az atomok (molekulák) első felületi rétegén belül vagy ezen a rétegen belül a részecskék mozgásával kapcsolatos.
Megjegyzések
Irodalom
- Bokstein B.S. Az atomok vándorolnak a kristályon. - M .: Nauka, 1984. - 208 p. - ("Kvantum" könyvtár, 28. szám). - 150 000 példányban.
Linkek
- Diffúzió (videóóra, 7. osztályos program)
- Szennyező atomok diffúziója egy kristály felületén
Wikimédia Alapítvány. 2010 .
Szinonimák:Nézze meg, mi a "diffúzió" más szótárakban:
- [lat. diffúziós eloszlás, terjedés] fizikai, kémiai. az egyik anyag (gáz, folyékony, szilárd) molekuláinak behatolása a másikba közvetlen érintkezéskor vagy porózus válaszfalon keresztül. Idegen szavak szótára. Komlev N.G.,…… Orosz nyelv idegen szavak szótára
Diffúzió- egy anyag részecskéinek egy másik anyag részecskéinek behatolása a közegbe, amely egy másik anyag koncentrációjának csökkenése irányába történő hőmozgás eredményeként következik be. [Blum E.E. Alapvető kohászati szakkifejezések szótára. Jekatyerinburg… Építőanyagok kifejezések, definíciók és magyarázatok enciklopédiája
Modern Enciklopédia
- (a latin diffusio szóródás szóródás, szóródás szóból), a közeg részecskéinek mozgása, ami az anyag átadásához és a koncentrációk egymáshoz igazodásához, vagy az adott típusú részecskék közegbeli koncentrációinak egyensúlyi eloszlásának kialakításához vezet. Ennek hiányában… … Nagy enciklopédikus szótár
DIFFÚZIÓ, egy anyag mozgása egy keverékben egy magas koncentrációjú területről egy alacsony koncentrációjú területre, amelyet az egyes atomok vagy molekulák véletlenszerű mozgása okoz. A diffúzió leáll, amikor a koncentrációgradiens eltűnik. Sebesség…… Tudományos és műszaki enciklopédikus szótár
diffúzió- és hát. diffúzió f., német. Diffúziós lat. diffúzió terjed, terjed. A szomszédos anyagok egymásba való kölcsönös behatolása a molekulák és atomok hőmozgása következtében. Gázok, folyadékok diffúziója. BAS 2. || ford. Ők… … Az orosz nyelv gallicizmusainak történeti szótára
Diffúzió- (a latin diffusio eloszlás, szétterülés, szóródás) a közeg részecskéinek mozgása, ami az anyag átadásához és a koncentrációk egymáshoz igazodásához vagy egyensúlyi eloszlásának megállapításához vezet. A diffúziót általában a hőmozgás határozza meg ...... Illusztrált enciklopédikus szótár
A részecskék mozgása a koncentrációjuk csökkenésének irányába, a hőmozgás következtében. A D. a diffundáló anyag koncentrációinak összehangolásához és a térfogat részecskékkel való egyenletes feltöltéséhez vezet. Földtani Enciklopédia
A diffúzió egy anyag oldatban való mozgásának spontán folyamata, amely koncentrációjának összehangolásához vezet.
A diffúzió során az anyag eloszlásában bizonyos kezdeti rendet (a rendszer egyik részében magas, míg a másikban alacsony koncentrációt) felváltja az anyag térfogatbeli eloszlásának teljes zavara, míg a a rendszer entrópiája nő. Amikor az oldat koncentrációja a teljes térfogatban kiegyenlítődik, az entrópia eléri maximális értékét, és a diffúzió leáll. A diffúziós sebesség állandó hőmérsékleten és a közeg viszkozitása az oldódó részecskék méretétől és alakjától függ.
A diffúzió folyadékokban és gázokban, valamint szilárd anyagokban egyaránt megfigyelhető. A diffúzió mértéke annak az anyagnak a tömege, amely egységnyi idő alatt átdiffundált az érintkező anyagok felületének egységnyi területén. Minél nagyobb az érték, annál inkább változik az egységnyi hosszra eső koncentráció a diffúzió iránya mentén. A diffúziós sebesség a hőmérséklet emelkedésével nő, ami a részecskesebesség növekedésével jár.
A heterogén katalízisben kémiai reakció megy végbe a szilárd test felületén, így fontos szerepet játszanak az anyagok felszínre és onnan történő szállításának folyamatai. Ha a kémiai átalakulás sokkal lassabb, mint a tömegátadási folyamatok, akkor a reakció kinetikáját a szilárd anyag felületén zajló folyamatok határozzák meg. Ha a reakció nagyon gyors, akkor a kinetika a tömegtranszfer folyamataitól függ.
Tekintsük egy anyag diffúzióját a térfogatból a reagáló anyagok felületére vagy a katalizátor felületére, ha van ilyen. Legyen az anyag átalakulása egy elsőrendű reakció, amelynek sebessége egyenlő
ahol ω chem az S felületen egységnyi idő alatt reagáló anyag mennyisége, C p a reagens koncentrációja a felületen.
Az átalakulás eredményeként C p kisebb lesz, mint az anyag koncentrációja az oldat térfogatában C vol.
A teljes reakcióelegy két részre osztható:
1. állandó koncentrációjú tartomány a reakciófelülettől távol;
2. a gyors koncentrációváltozás területe közvetlenül ennek a felületnek a közelében.
Kísérletileg megállapították, hogy minden szilárd felületen, amellyel egy mozgó folyadék határos, a folyadék sebessége nullával egyenlő. Az anyag szállítása a szilárd anyag felületével szomszédos, rögzített folyadékrétegen keresztül történik a reagáló anyagok diffúziója eredményeként. Ezt a rögzített réteget Nernst rétegnek nevezik, vastagsága függ az oldószer és az oldott anyag tulajdonságaitól, a mozgás sebességétől stb. Például egy folyadék esetében ennek a δ rétegnek a vastagsága körülbelül 0,02–0,05 mm vagy kevesebb. A határokon túl a folyadék mozgása az oldat térfogatának koncentrációjának kiegyenlítődéséhez vezet. A diffúzió miatti tömegátadást a Fick-egyenlet írja le:
ahol dn/dt az egységnyi idő alatt egy rögzített S felületen keresztül az x növekvő értékeinek irányába diffundáló anyag mennyisége; x a diffúzió iránya; D a diffúziós együttható; a "-" jel azt jelenti, hogy az anyag áramlása a koncentráció csökkenésének irányába megy, ezért mindig .
Van egy másik módszer a diffúziós egyenlet felírására T = Const esetén:
A diffúziós rétegben a koncentráció gradiens (gradC) állandó, ezért a (47) kifejezés a következőképpen írható fel:
Állandósult állapotban a reagáló felület anyagellátásának sebessége megegyezik a sebességgel kémiai reakció, a felületi koncentráció a következőképpen ábrázolható:
w y = w x esetén és
Gyors reakció esetén, amikor k>>D/d, a folyamat sebességét a diffúzió határozza meg. Lassú reakció esetén, amikor k< Az oldat intenzív keverése csökkenti a diffúziós réteg vastagságát, ami a diffúziós sebességi állandó növekedéséhez vezet. Mivel a kémiai reakció sebességi állandója jobban függ a hőmérséklettől, mint a diffúziós együtthatótól, alacsony hőmérsékleten a folyamatot a kémiai reakció sebessége korlátozza. Heterogén katalitikus reakciók szimulációja. Általában a heterogén katalitikus folyamatok folyadék-, gáz- vagy gőzfázisban mennek végbe szilárd katalizátor részvételével. Gáz heterogén katalitikus reakció esetén a kiindulási reagensek és reakciótermékek gázok. A reakcióban való részvételükkel a reagens minden molekulája egymás után átmegy a folyamat következő szakaszain: Diffúziós átvitel a gázközegből a katalizátor felületére; adszorpció a felületén; Kémiai átalakulás az adszorbeált rétegben; A reakciótermékek deszorpciója; A reakciótermékek diffúziós átvitele a katalizátor felületéről a gázfázisba. A heterogén katalitikus reakció sebességét nagymértékben befolyásolja a szilárd katalizátor aktív felülete. Ennek növelésére a katalizátorokat általában erősen fejlett felületű szemcsék formájában készítik. Ebben az esetben a szemcsék látszófelülete elhanyagolható a szemcse belső pórusainak és csatornáinak felületéhez képest. A belső csatornák és pórusok hosszának és átmérőjének értékeinek ki kell zárniuk a folyamat diffúziós-transzport szakaszainak erős gátlását. A legelőnyösebb mód, amelyben a folyamat sebességkorlátozó szakasza a tényleges kémiai átalakulás. Ebben az esetben azt mondják, hogy a folyamat a kinetikai tartományban megy végbe, azonban nem mindig lehetséges a diffúziós ellenállás kiküszöbölése. Általában a kémiai reakció sebességét a (47) egyenlet határozza meg. Ha egy heterogén katalitikus reakció többkomponensű, akkor a kinetikai képlet meglehetősen nehézkes lehet. Tekintsük a katalizátorfelület korlátozott aktivitásának feltételezéséből levezetett kinetikai egyenleteket. Feltételezzük, hogy a kémiai átalakulás csak azokban a molekulákban történhet meg, amelyek az adszorpció következtében a katalizátor aktív centrumába kerültek. A szorpció az egyik anyag egy másik általi felszívódásának bármely folyamata, függetlenül az abszorpció mechanizmusától. A szorpció mechanizmusától függően a következők vannak: - adszorpció– az anyag koncentrációjának változása a fázishatáron. Az adszorpció bármely határfelületi felületen megtörténik, és bármilyen anyag adszorbeálható. Adszorpciós egyensúly, i.e. az anyag egyensúlyi eloszlása a határréteg és a szomszédos fázisok között dinamikus egyensúly, és gyorsan létrejön. Az adszorpció a hőmérséklet emelkedésével csökken; - abszorpció– az egyik anyag abszorpciója a másikkal a szorbens teljes térfogatában megtörténik (például egy gáz feloldódása folyadékokban); - kemiszorpció- az egyik anyag felszívódását egy másik kémiai reakciók kísérik; - kapilláris kondenzáció- ami abból adódik, hogy az általa nedvesített keskeny kapillárisokban a folyadék homorú meniszkusza feletti gőznyomás kisebb, mint a telített gőznyomás a folyadék sík felületén azonos hőmérsékleten. Pozitív adszorpció, amely az anyag koncentrációjának növekedéséhez vezet a határrétegben, csak a felületi feszültség csökkenésével lehetséges, pl. a fázishatáron minden spontán folyamat a szabad felületi energia csökkenésének irányában megy végbe. Statikus szorpció akkor következik be, amikor az abszorbeált anyag érintkezésbe kerül egy mozdulatlan szorbenssel. A szorbens statikus aktivitását a szorbens egységnyi tömegére jutó abszorbeált anyag mennyisége jellemzi bizonyos körülmények között. Dinamikus szorpció figyelhető meg, amikor az abszorbeált anyagot átszűrjük a szorbens rétegen. Heterogén katalitikus reakciók esetén úgy véljük, hogy a katalizátor felületegységére jutó aktív helyek száma korlátozott. Ezenkívül az egyszerűség kedvéért feltételezzük, hogy minden aktív centrum csak a reaktáns bizonyos számú molekuláját vagy atomját képes tárolni (leggyakrabban egyet). Ilyen feltételezések mellett a kémiai átalakulás sebessége arányosnak bizonyul a katalizátor felületén adszorbeált reagensek koncentrációjával, azaz a katalizátor felületén. felületi koncentrációk. Egy bizonyos anyag felületi koncentrációjának a környező gáz térfogatában való koncentrációjától való függésének leírására a Langmuir adszorpciós izoterma egyenletet használjuk. Az egyszerűsítés kedvéért az adszorpció és a deszorpció egyensúlyi feltételeit vettük. Egy adott komponens ra (vagy u ads) adszorpciós sebessége arányosnak tekinthető a P nyomásával és a szabad aktív centrumok koncentrációjával, amelyet a C a aktív centrumok összkoncentrációja és a C elfoglalt centrumok koncentrációja közötti különbségként határozhatunk meg. : Az r d (u des) deszorpciós sebessége arányos a C elfoglalt aktív centrumok koncentrációjával: Az adszorpció és a deszorpció közötti egyensúlyt feltételezve, azaz. r a \u003d r d (u hirdetések \u003d u dec) figyelembe véve a következőket kapjuk: Ezért az elfoglalt aktív központok koncentrációja egyenlő: bevezetjük a helyettesítési -adszorpciós egyensúlyi állandót (56) A k a \u003d k des K \u003d 1 egyenlőség esetén a következőket kapjuk: A 3. ábra egy adszorpciós izotermára mutat példát. A szilárd anyagok felületén a gázok és gőzök adszorpciója is a szabad felületi energia csökkenése következtében következik be. A gyakorlatban az adszorpciót az adszorbeált anyag mennyisége alapján ítélik meg, amely minél nagyobb, minél nagyobb az adszorbens felületi rétege, ill. Ezért az adszorpciós folyamatok megvalósításához erősen fejlett felületű adszorbensek alkalmazása szükséges. A legfontosabb porózus szorbensek az aktív szén és a szilikagél. Rizs. 3 Adszorpciós izoterma. G - felületi többlet a tiszta komponens b - telítetlen monomolekuláris (egy molekula vastagságú réteg) c – telített monomolekuláris réteg A hőmérséklet emelkedése és a nyomás csökkenése a gázok és gőzök deszorpciójához vezet. Ennek eredményeként az iparban széles körben alkalmazzák a szorpciós módszereket különféle anyagok levegőből történő kinyerésére, valamint gázok és gőzök elválasztására. Az oldott anyagok adszorpciója szilárd szorbenseken lévő oldatokból kisebb-nagyobb mértékben mindig oldószer adszorpcióval jár. Az oldatokból származó adszorpciós izotermák alakja hasonló a gázfázisból származó adszorpciós izotermákhoz. A heterogén katalitikus folyamatok modellezésének gyakorlatában az aktív centrumok felületi koncentrációi helyett relatív koncentrációkat alkalmaznak, amelyeket általában az aktív centrumok töltöttségi fokának neveznek. Az (57) egyenlet átírható, ha a benne lévő koncentrációkat az aktív centrumok kitöltöttségi fokára cseréljük: Ha az adszorpciós folyamatot reverzibilis disszociáció kíséri n részecskeké, akkor az adszorpció és a deszorpció sebessége a megfelelő koncentrációk n-hatványfüggvénye: Þ , akkor Ha a gázfázis több, a katalizátor felületén adszorbeált komponenst tartalmaz, ki kell számítani az egyes komponensek felületi borításának mértékét. Figyelembe kell venni, hogy a szabad helyek koncentrációját az aktív centrumok összkoncentrációja és az összes komponens által elfoglalt centrumok összege közötti különbség határozza meg. Például kétkomponensű rendszer esetén: Abban az esetben, ha az A komponenst két részecskére disszociálják, a következőket kapjuk: Ha a gázközegben van olyan közömbös komponens, amely nem vesz részt a kémiai reakcióban, de a felület adszorbeálja, a megfelelő tag az (59-63) kifejezések nevezőjében, például: Mivel a kémiai átalakulás sebessége arányos a reagáló komponensek felületi koncentrációival, azaz. Például egy A + B ® M típusú reakció esetén a reagensek disszociációja nélkül és inert komponens részvétele nélkül a következő kifejezést kapjuk a kémiai átalakulás sebességére: A (66) kifejezés nevezőjének foka megegyezik a kémiai rendszer összetevőinek számával. Ha a reakciókomponensek adszorpciós tulajdonságai jelentősen eltérnek, akkor a Langmuir-egyenlet alakja megváltozik. Legyen tehát A ® P formájú reakció « 1 és Hozzá kell tenni, hogy a nemizoterm körülmények között végzett modellezésnél figyelembe kell venni az adszorpciós együtthatók és a sebességi állandó hőmérséklettől való függését. Ez nagymértékben bonyolítja a modellt. Amint látható, a heterogén katalitikus reakciók szimulációja bonyolultabb folyamat, mint a homogén reakciók szimulációja, amihez a kapott egyenletek erős nemlinearitása társul. Az iskolai tantervben a fizika tárgykörében (körülbelül a hetedik osztályban) a tanulók megtanulják, hogy a diffúzió egy olyan folyamat, amely egy anyag részecskéinek kölcsönös behatolása egy másik anyag részecskéi közé, melynek eredményeként a koncentrációk az egész anyag részecskéi között kiegyenlítődnek. elfoglalt kötet. Ez egy meglehetősen nehezen érthető meghatározás. Ahhoz, hogy megértsük, mi az egyszerű diffúzió, a diffúzió törvénye, egyenlete, részletesen tanulmányozni kell az ezekre a kérdésekre vonatkozó anyagokat. Ha azonban egy általános ötlet elegendő egy személy számára, akkor az alábbi adatok segítenek az elemi ismeretek megszerzésében. Tekintettel arra, hogy sokan összekeverik, vagy egyáltalán nem tudják, mi a fizikai jelenség, és miben különbözik a kémiai jelenségektől, valamint azt, hogy a diffúzió milyen jelenségekhez tartozik, meg kell érteni, mi is az a fizikai jelenség. Tehát, mint mindenki tudja, a fizika a természettudományok körébe tartozó önálló tudomány, amely az anyag szerkezetére és mozgására vonatkozó általános természeti törvényeket vizsgálja, és magát az anyagot is. Ennek megfelelően a fizikai jelenség olyan jelenség, amelynek következtében nem keletkeznek új anyagok, hanem csak az anyag szerkezetének megváltozása következik be. A fizikai jelenség és a kémiai jelenség közötti különbség éppen abban rejlik, hogy ennek eredményeként nem keletkeznek új anyagok. A diffúzió tehát fizikai jelenség. Tudniillik egy fogalomnak sokféle megfogalmazása lehet, de az általános jelentés nem változhat. És a diffúzió sem kivétel. Az általánosított definíció a következő: a diffúzió egy fizikai jelenség, amely két vagy több anyag részecskéinek (molekuláinak, atomjainak) kölcsönös behatolása, egyenletes eloszlása az anyagok által elfoglalt teljes térfogaton. A diffúzió eredményeként nem keletkeznek új anyagok, ezért pontosan fizikai jelenségről van szó. Az egyszerű diffúziót diffúziónak nevezzük, amelynek eredményeként a részecskék a legnagyobb koncentrációjú tartományból az alacsonyabb koncentrációjú tartományba kerülnek, ami a részecskék termikus (kaotikus, Brown-) mozgásának köszönhető. Más szóval, a diffúzió egy olyan folyamat, amelyben különböző anyagok részecskéi keverednek, és a részecskék egyenletesen oszlanak el a térfogatban. Ez egy nagyon leegyszerűsített definíció, de a leginkább érthető. A diffúzió rögzíthető mind a gáz- és folyékony anyagok, mind a szilárd anyagok megfigyelésekor. Ezért több típust tartalmaz: Az állítás megerősítést nyer, hogy a diffúzió történhet gázokban és folyadékokban, valamint szilárd anyagokban is. A német tudós, Fick fizikus levezetett egy törvényt, amely megmutatja, hogy a részecskeáram-sűrűség egyetlen területen keresztül függ az anyag egységnyi hosszonkénti koncentrációjának változásától. Ez a törvény a diffúzió törvénye. A törvény a következőképpen fogalmazható meg: a részecskék áramlása, amely a tengely mentén irányul, arányos a részecskék számának azon változóhoz viszonyított deriváltjával, amely azon tengely mentén van ábrázolva, amelyhez képest a részecskék áramlási iránya eltökélt. Más szóval, a tengely irányában mozgó részecskék áramlása arányos a részecskék számának a változóhoz viszonyított deriváltjával, amelyet az áramlással azonos tengely mentén ábrázolunk. Fick törvénye lehetővé teszi, hogy leírja az anyag időben és térben történő átadásának folyamatát. Ha egy anyagban áramlások vannak, akkor maga az anyag újra eloszlik a térben. Ebben a tekintetben több egyenlet is leírja ezt az újraelosztási folyamatot makroszkopikus szempontból. A diffúziós egyenlet differenciál. Következik az anyagátvitel általános egyenletéből, amelyet folytonossági egyenletnek is neveznek. Diffúzió jelenlétében a fent leírt Fick-törvényt alkalmazzuk. Az egyenletnek a következő alakja van: dn/dt=(d/dx)*(D*(dn/dx)+q. A diffúziós módszert, vagy inkább szilárd anyagokban való megvalósításának módszerét az utóbbi években széles körben alkalmazzák. Ez a módszer előnyeinek köszönhető, amelyek közül az egyik a használt berendezés és maga az eljárás egyszerűsége. A szilárd forrásból történő diffúziós módszer lényege az egy vagy több elemmel adalékolt filmek félvezetőkre történő lerakása. Számos más módszer is létezik a diffúzió megvalósítására a szilárd forrás módszerén kívül: A diffúzió módszereinek és jellemzőinek további megismeréséhez további, kifejezetten ezeknek a kérdéseknek szentelt irodalmak tanulmányozása szükséges. Abszolút mindenki hallott már olyan fogalomról, mint a diffúzió. Ez volt az egyik téma a 7. osztály fizika óráin. Annak ellenére, hogy ez a jelenség abszolút mindenhol körülvesz bennünket, kevesen tudnak róla. Egyébként mit jelent? Mi az fizikai jelentéseÉs hogyan lehet vele könnyebbé tenni az életet? Ma erről fogunk beszélni. Kapcsolatban áll Ennek a fizikai folyamatnak a sebessége a következő tényezőktől függ: halmazállapot - a legfontosabb tényező. Az aggregáció minden állapotában a molekulák bizonyos sebességgel mozognak. A diffúzió a következő aggregációs állapotokban mehet végbe: Valószínűleg most a következő kérdések lesznek az olvasóban: A rájuk adott válaszok alább olvashatók. Ezen a világon mindennek megvan a maga oka. ÉS a diffúzió sem kivétel. A fizikusok jól ismerik előfordulásának okait. És hogyan lehet ezeket eljuttatni az átlagemberekhez? Van valami bizonyíték erre a mozgalomra? Biztosan! Emlékszel, milyen gyorsan kezdted érezni a parfüm vagy a dezodor illatát? És annak az ételnek az illata, amit anyukád főz a konyhában? Ne feledje, milyen gyorsan tea vagy kávé elkészítése. Mindez nem is lehetne, ha nem a molekulák mozgása miatt. Arra a következtetésre jutottunk, hogy a diffúzió fő oka a molekulák állandó mozgása. Most már csak egy kérdés marad: mi az oka ennek a mozgalomnak? Az egyensúly vágya hajtja. Vagyis az anyagban vannak olyan területek, ahol ezek a részecskék magas és alacsony koncentrációban vannak. És ennek a vágynak köszönhetően folyamatosan mozognak a magas koncentrációjú területről az alacsony koncentrációra. Folyamatosan vannak ütköznek egymással, és megtörténik az áthatolás. A részecskék gázokban való keveredésének folyamata a leggyorsabb. Előfordulhat homogén gázok és különböző koncentrációjú gázok között egyaránt. Élénk példák az életből: A diffúzió a folyadékokban lassabban megy végbe. Néhány perctől több óráig tarthat. A legfényesebb példák az életből: Sűrűbb folyadékok keverésekor a diffúzió sokkal tovább tart. Például két folyékony fém összekeverése több órát is igénybe vehet. Természetesen ezt néhány perc alatt megteheti, de ebben az esetben kiderül rossz minőségű ötvözet. Például a diffúzió a majonéz és a tejföl keverésekor nagyon hosszú ideig tart. Ha azonban külső befolyás segítségét veszi igénybe, akkor ez a folyamat egy percet sem vesz igénybe. Szilárd anyagokban a részecskék kölcsönös behatolása nagyon lassan megy végbe. Ez a folyamat több évig is eltarthat. Időtartama az anyag összetételétől és kristályrácsának szerkezetétől függ. Kísérletek, amelyek bizonyítják, hogy létezik diffúzió szilárd anyagokban. Amint már megértette, minél keményebb a közeg, annál alacsonyabb a molekulák keveredésének sebessége. Most pedig beszéljünk arról, hogy a való életben hol szerezhet gyakorlati hasznot ebből a fizikai jelenségből. A diffúzió folyamata folyamatosan előfordul az életünkben. Még akkor is, ha az ágyon fekszünk, nagyon vékony bőrréteg marad a lepedő felületén. Az izzadságot is felszívja. Emiatt az ágy piszkossá válik, és ki kell cserélni. Tehát ennek a folyamatnak a megnyilvánulása a mindennapi életben a következő lehet: A diffúzió megnyilvánulása a természetben: Ennek a folyamatnak a megnyilvánulása az iparban: Ezek a folyamatok különböző iparágakban fordulnak elő: Amint Ön is tudja, a diffúzió folyamatának pozitív és negatív hatásai is lehetnek életünkre. Képesnek kell lennie arra, hogy irányítsa az életét, és maximalizálja ennek a fizikai jelenségnek az előnyeit, valamint minimalizálja a károkat. Most már tudod, mi a lényege egy ilyen fizikai jelenségnek, mint a diffúzió. Ez a részecskék kölcsönös behatolásából áll a mozgásuk miatt. Az életben minden mozog. Ha diák vagy, cikkünk elolvasása után biztosan 5-ös osztályzatot kapsz. Sok sikert neked! Figyelem! A webhely adminisztrációs oldala nem felelős a módszertani fejlesztések tartalmáért, valamint a szövetségi állami oktatási szabvány kidolgozásának megfelelőségéért. Diffúzió- olyan jelenség, amelyben egy anyag molekulái kölcsönösen behatolnak egy másik anyag molekulái közé (tankönyvi meghatározás). Cél- megállapítani, hogy mi határozza meg a diffúzió sebességét a folyadékban. A diffúziót az anyag molekuláinak folyamatos mozgása magyarázza, a mozgás sebessége a hőmérséklettől függ. Így hipotézis– a folyadékban a diffúzió sebessége a hőmérséklettől függ. Felszerelés: egy pohár hideg-meleg víz, kálium-permanganát, spatula. Biztonság: Óvatosan kezelje a forró vizet és az üvegedényeket. A kísérlet előrehaladásának és eredményeinek leírása. Megfigyelve a diffúzió jelenségét egy pohár hideg és meleg vízben, azt tapasztaltam, hogy a diffúzió gyorsabban megy végbe forró vízben, mint hideg vízben. A hipotézis beigazolódott. A vizsgált jelenség gyakorlati alkalmazásának áttekintése: a diffúziós sebesség hőmérséklettől való függését számos technológiai folyamatban alkalmazzák: tea- vagy kávéfőzés, sózás, lekvárfőzés, szövetfestés, tárgyak mosása. A diffúzió jelensége a fémezési folyamaton alapul – a termék felületének bevonása fém- vagy ötvözetréteggel, hogy fizikai, kémiai és mechanikai tulajdonságokat adjon neki. A termékek korrózió, kopás elleni védelmére, dekorációs célokra használják. Tehát a karburálást az acél alkatrészek keménységének és hőállóságának növelésére használják. Az acél alkatrészeket grafitporral ellátott dobozba helyezik, amelyet egy termikus kemencébe szerelnek be. A diffúzió következtében a szénatomok behatolnak az alkatrészek felületi rétegébe. A behatolási mélység a hőkemencében lévő alkatrészek hőmérsékletétől és expozíciós idejétől függ. Számos fém, például acél olvasztására is használják. A természetben vizsgált jelenség megfigyeléseinek áttekintése: növényi táplálkozás, a víz oxigéntelítettsége, a légkör homogén összetétele, az emberi szervezetben zajló élettani folyamatok (légzés és emésztés). - A régi asszír mese "King Zimaar": "A királynak volt egy okos tanácsadója, Ayaz, akit nagyon tisztelt. Ahogy az ilyen esetekben lenni szokott, Ayaznak voltak ellenségei, akik rágalmazták őt a király előtt, ő pedig, miután meghallgatta őket, bebörtönözte. Amikor a felesége megérkezett Ayazba, azt mondta neki, hogy fogjon meg egy nagy hangyát, kössön negyven méter hosszú erős szálat a mancsára, kössön egy azonos hosszúságú kötelet a szabad végére, és engedje be a hangyát a börtön külső falán. a jelzett helyet. Ahogy Ayaz mondta, a feleség is így tett. Ayaz maga morzsolgatta a cukrot a cella ablakán, és a hangya a cukorszag hatására eljutott a cellába, ahol Ayaz ült. Ez a jelenség mentette meg Ayazt, és segített a hangyának megtalálni a kamerát. - Példabeszédek és szólások, amelyek csak a diffúzió jelenségének ismeretében magyarázhatók. Az élményt az A.V. Peryshkin „Fizika 7. osztály” című tankönyv írja le: tankönyv oktatási intézmények számára / A.V. Peryskin. – M.: Túzok, 2012. Amikor egy test érintkezik a másikkal, kölcsönhatás lép fel, amely megakadályozza a relatív mozgásukat, amit súrlódásnak neveznek. Az ezt a kölcsönhatást jellemző erőt pedig súrlódási erőnek nevezzük. (tankönyvből) Háromféle súrlódás létezik: statikus súrlódás, csúszósúrlódás, gördülési súrlódás. Az UMK Peryshkina A.V. csak a súrlódási erőnek a test súlyától való függését vizsgáljuk, kiegészítettük az indirekt módon említett kísérletekkel (függés a felülettől, a súrlódó felületek típusától). Cél- megtudja, mitől függ a csúszósúrlódási erő. Felszerelés: fablokk, próbapad, súlykészlet, csiszolópapír, vezetősín. Hipotézis. A súrlódási erő a felület érintkezési területétől, a test súlyától, az érintkező felületek típusától függ. : legyen óvatos a felszereléssel. F tr = 0,3 N F tr = 0,3 N Következtetés: a csúszósúrlódás ereje nem függ a testek érintkezési területétől. F tr = 0,3 N F tr = 0,5 N (1 terhelés) F tr = 0,6 N (2 súly) Következtetés: minél nagyobb az erő, amely a testet a felülethez nyomja (testsúly), annál nagyobb a keletkező súrlódási erő. F tr = 0,3 N F tr \u003d 0,6 N (csiszolópapíron) Következtetés: a súrlódási erő az érintkező felületek fajtájától függ (felületi érdesség) : nyugalmi súrlódás nélkül a földön sem ember, sem állat nem tudna járni, hiszen járáskor a lábak visszaszorulnak a talajtól. Jeges körülmények között kicsi a súrlódás a cipő talpa és a talaj között, nagyon nehéz leszokni a talajról és a lábak megcsúsznak. A cipőtalp és a jég közötti súrlódási erő növelése érdekében a járdákat homokkal szórják meg. A súrlódás különféle anyagok, szerszámrészek, különféle eszközök, szerkezetek rögzítését biztosítja. A szálak közötti súrlódás miatt a szövetek nem terjednek szét, kalapácsok, balták, lapátok és egyéb szerszámok a nyeleken tartják. Csavarok anyákkal, szögekkel, csavarokkal, ékekkel, szerkezetek részeit súrlással rögzítik. A súrlódás segít az embernek tárgyakat a kezében tartani. Az íj súrlódása nélkül a húrok között lehetetlen lenne hegedülni vagy csellózni. Sok növénynek és állatnak különböző megfogási szervei vannak (növények antennái, elefánt törzse, mászó állatok szívós farka). Mindegyikük érdes felülettel rendelkezik, hogy növelje a súrlódási erőt. Az élő szervezetek körében gyakoriak az alkalmazkodások (gyapjú, sörték, pikkelyek, a felszínhez képest ferdén elhelyezkedő tüskék), amelyek miatt a súrlódás egy irányban kicsi, az ellenkező irányban pedig nagy. A giliszta mozgása ezen az elven alapul. A hátrafelé irányított sörték szabadon haladnak előre a féreg testén, de gátolják a visszafelé irányuló mozgást. A test megnyúlásával a fejrész előre mozdul, míg a farok a helyén marad, összehúzódással a fejrész késik, a farok pedig felhúzódik hozzá. A jelentős súrlódás elengedhetetlen a mozgásszervek munkafelületeihez. A mozgás szükséges feltétele a mozgó test és a támasz megbízható tapadása. A tapadást vagy a végtagokon lévő pontok, vagy apró egyenetlenségek, például sörték, pikkelyek, gumók biztosítják. Jelentős súrlódásra van szükség a fogószervek számára is. Érdekes a formájuk: vagy fogók, amelyek két oldalról rögzítik a tárgyat, vagy szálak, amelyek beborítják. A kéz egyesíti a csipesz hatását és a teljes lefedettséget minden oldalról; a tenyér puha bőre jól tapad a megfogandó tárgyak érdességeihez. Érdekes tények jelenléte a vizsgált jelenséggel kapcsolatban: Az élményt az A. V. Peryskin „Fizika 8. osztály” című tankönyv írja le: tankönyv oktatási intézmények számára / A. V. Peryskin. – M.: Túzok, 2012. Hővezető- a belső energia átvitelének jelensége a test egyik részéből a másikba, vagy egyik testből a másikba közvetlen érintkezésük során. (tankönyvből) Minden fémnek más a szerkezete, ezért különböző módon kell hőt adniuk. Hipotézis felállítása. A különböző fémek hővezető képességének eltérőnek kell lennie. Cél- figyelje meg a fémek hővezető képességét. Felszerelés: alumínium és sárgaréz rudak, gyurma, tűk, gyertya, gyufa, két állvány. A biztonsági óvintézkedések leírása és betartása a kísérleti tanulmány során: tartsa be a biztonsági óvintézkedéseket, ha gyertyával dolgozik. A kísérlet előrehaladásának és eredményeinek leírása: A megfigyelések azt mutatták, hogy az alumíniumrúd tűi gyorsabban kezdtek hullani, mint a sárgarézből. Következtetés: a különböző fémek hővezető képessége nem azonos. A vizsgált jelenség gyakorlati alkalmazásának áttekintése: A termék hőkezelése során gyakran szükséges a magas hőmérséklet fenntartása, ezért a konyhában fémek kerülnek felhasználásra, mivel hővezető képességük és szilárdságuk nagyobb, mint más anyagoké. Forró teához, hogy ne égesse meg magát, a fém vagy a porcelán csésze közül választva porcelánt kell választania. Az edények, serpenyők, tepsiek és egyéb edények fémből készülnek. Jó példa a nagy hővezető képességű anyagok konyhában való használatára a tűzhely. Például az elektromos tűzhely égői fémből készülnek, hogy biztosítsák a jó hőátadást a fűtőelem forró tekercséről az edénybe vagy serpenyőbe. Az emberek alacsony hővezető képességű anyagokat használnak a kezek és az edények között, hogy elkerüljék az égést. Sok edény fogantyúja műanyagból készült, a tálcákat pedig kis hővezetőképességű ruha vagy műanyag kesztyűvel távolítják el a sütőből. A réz jó hővezető képességgel rendelkezik, és forrasztópákákban használják. A szóban forgó jelenség természetben történt megfigyeléseinek áttekintése: a hó megvédi a téli növényeket a fagytól; a levegő, a jég, a hó, a zsír rossz hővezető – ez sok erdőben és vízi környezetben élő állat életét menti meg (a nyírfajd télen alszik, fejét a hóba temeti). Télen a víztesteket jég borítja, ami megakadályozza további fagyásukat, a vízi fauna számos képviselője túléli. Érdekes tények jelenléte a vizsgált jelenséggel kapcsolatban: Ha a vezeték keresztezési helyein jó fémcsatlakozást biztosító huzalhálót készítünk, és a gázégő fölé helyezzük, akkor a szelep bekapcsolásakor meggyújthatja a háló feletti gázt, miközben nem ég meg. a háló alatt. És ha meggyújtja a gázt a rács alatt, akkor a tűz „nem fog kiszivárogni” a rácson keresztül! Abban az időben, amikor még nem voltak villanykörték, a Davy-lámpát használták. Egy fémketrecbe "ültetett" gyertya volt. És még ha a tengely meg is volt töltve gyúlékony gázokkal, a Davy-lámpa biztonságos volt, és nem okozott robbanást - a fémhálónak köszönhetően a láng nem ment túl a lámpán.Fizikai jelenség - mi ez?
A diffúzió fogalmának meghatározása
A diffúzió típusai
Mi a Fick-törvény?
Diffúziós egyenlet
Diffúziós módszerek
Diffúzió a fizikában: definíció
Ez az egyik anyag molekuláinak behatolási folyamata egy másik anyag molekulái közé. Egyszerűen fogalmazva ezt a folyamatot keverésnek nevezhetjük. Eközben a keveredés egy anyag molekuláinak egymás közötti kölcsönös behatolása során következik be. Például a kávéfőzés során az instant kávé molekulák behatolnak a vízmolekulákba és fordítva.
Minél magasabb egy anyag hőmérséklete, annál gyorsabban mozognak a molekulák. Ennélfogva, keverési folyamat magasabb hőmérsékleten gyorsabban megy végbe.Okoz
Bizonyára mindenki hallott már arról, hogy a molekulák állandó mozgásban vannak. Ráadásul ez a mozgás rendetlen és kaotikus, sebessége pedig igen nagy. Ennek a mozgásnak és a molekulák állandó ütközésének köszönhetően kölcsönös behatolásuk következik be.Diffúzió gázokban
Hogyan történik a diffúzió folyadékokban?
Ezekben az esetekben a diffúzió nagyon gyorsan megy végbe (akár 10 percig). Ha azonban külső hatást gyakorolnak a folyamatra, például kanállal keverik ezeket az oldatokat, akkor a folyamat sokkal gyorsabban megy végbe, és nem tart tovább egy percnél.Diffúzió szilárd anyagokban: példák
Példák diffúzióra a környező világban
A cél annak megállapítása, hogy mi határozza meg a diffúzió sebességét egy folyadékban. Diffúziós kísérletek
Kísérletek a súrlódási erővel kapcsolatban
Kísérletek a hővezető képességgel kapcsolatban