Старт в науке. Диффузия в твердых телах, жидкостях и газах: определение, условия

Физика — одна из самых интересных, загадочных и в то же время логичных наук. Она объясняет все, что можно объяснить даже то, как чай становится сладким, а суп соленым. Истинный физик сказал бы иначе: так протекает диффузия в жидкостях.

Диффузия

Диффузия — это волшебный процесс проникновения мельчайших частиц одного вещества в межмолекулярные пространства другого. Кстати, такое проникновение взаимно.

Знаете, как это слово переводится с латыни? Растекание, распространение.

Как протекает диффузия в жидкостях

Диффузия может наблюдаться при взаимодействии любых веществ: жидких, газообразных и твердых.

Чтобы узнать, как протекает диффузия в жидкостях, можно попробовать бросить несколько крупинок краски, молотого грифеля или, например, марганцовки в прозрачный сосуд с чистой водой. Лучше, если сосуд этот будет высоким. Что мы увидим? Сначала кристаллики под действием силы тяжести опустятся на дно, но через некоторое время вокруг них появится ореол окрашенной воды, который будет растекаться и растекаться. Если не подходить к данным сосудам хотя бы несколько недель, мы обнаружим, что вода окрасится практически полностью.

Еще один наглядный пример. Для того чтобы сахар или соль растворились быстрее, их нужно размешать в воде. Но если этого не сделать, сахар или соль самостоятельно растворятся через некоторое время: чай или компот станут сладкими, а суп или рассол - солеными.

Как протекает диффузия в жидкостях: опыт

Для того чтобы определить, как скорость диффузии зависит от температуры вещества, можно провести небольшой, но весьма показательный опыт.

Возьмем два стакана одинакового объема: один — с холодной водой, другой — с горячей. Насыпаем в оба стакана равное количество растворимого порошка (например, кофе или какао). В одном из сосудов порошок начнет растворяться интенсивнее. Знаете, в каком именно? Догадаетесь? Там, где температура воды выше! Ведь диффузия протекает в ходе беспорядочного хаотичного движения молекул, а при высоких температурах это движение происходит намного быстрее.

Диффузия может происходить в любых веществах, различается лишь время протекания этого явления. Самая высокая скорость — в газах. Именно поэтому нельзя хранить в холодильнике сливочное масло рядом с селедкой или салом, натертым мелко порубленным чесноком. Далее следуют жидкости (от меньшей плотности к наибольшей). И самая медленная — диффузия твердых тел. Хотя на первый взгляд диффузии в твердых телах не бывает.

Cтраница 1

Скорость диффузии к месту кристаллизации, а следовательно, и роста кристаллов в значительной степени зависят от вязкости среды и возрастают с уменьшением вязкости.  

Скорость диффузии растет с увеличением температуры.  

Скорость диффузии определяется количеством вещества т, диффундирующего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени. Количество Диффундирующего (в единицу времени) вещества m зависит от градиента концентрации dC / dx элемента в направлении, нормальном к поверхности раздела и пропорционально коэффициенту диффузии D: т - D (dC / dx), где dC - концентрация; dx - расстояние в выбранном направлении.  

Скорость диффузии значительно понижается, если металл слегка окислен. Палладий и некоторые другие металлы особенно разрушаются предварительной термической обработкой. Хем нашел, что скорость диффузии для нового пассивного палладия падает на одну пятидесятую своей первоначальной величины после нагревания в течение нескольких часов до 1000 С. Проницаемость возвращается нагреванием до 500 С в кислороде, причем образуется кислородная пленка, затем восстанавливаемая обработкой водородом при 150 С. Нагревание в азоте повышает проницаемость палладия. Баукло и Кайзер [ 5а ] нашли, что скорость диффузии водорода через никель остается постоянной до 850 С и постепенно падает при более высоких температурах. Через шесть часов при 1060 С скорость уменьшается на 30 % первоначальной величины.  

Скорость диффузии зависит также от предварительной термической обработки металла, через который происходит диффузия. Если свежеприготовленный препарат палладия, освобожденный от газа, дает определенную скорость диффузии при 300 и 760 мм давления, то другой препарат палладия может потребовать нагревания, например, до 600 при 760 мм давления, чтобы дать ту же скорость диффузии. Если железо находилось в контакте с азотом, то скорость диффузии водорода может быть в 10 - 15 раз выше, однако кривые диффузии совпадают с их прежним положением при нагревании до более высоких температур.  

Скорости диффузии играют также решающую роль при реакциях между полимером и реагентами, молекулы которых имеют небольшие размеры. Если, например, скорость диффузии кислорода в каучук недостаточно велика для поддержания его постоянной концентрации в образце полимера, то диффузия становится процессом, определяющим скорость реакции, и все попытки количественных кинетических измерений будут безуспешными. Такие же эффекты возможны и при гетерогенных реакциях гидролиза.  

Скорость диффузии пропорциональна общей концентрации раствора и сильно увеличивается с повышением температуры. В свою очередь ускорение диффузии приводит к ускорению электролиза. Так, например, при электролизе с перемешиванием из холодного раствора SnQ4 0 2 г олова выделяются током силой 1 5 - 1 7 а за 70 мин, а из горячего всего лишь за 30 мин.  

Скорость диффузии, по-видимому, должна снижаться при уменьшении диаметра пор, причем точная функциональная зависимость между этими величинами определится типом диффузии внутри пор. Рассмотрим случай с катализатором, содержащим настолько мелкие частицы металлического палладия, что они распределены по поверхности активированного угля о одинаковой плотностью независимо от диаметра пор.  

Скорость диффузии и испарения в турбулентном потоке определяются такими характеристиками, как интенсивность и масштаб турбз лентности.  

Скорость диффузии определяется разностью концентраций, температурой и вязкостью среды.  

Cтраница 1

Зависимость скорости диффузии от состава стали Геллер и Так-Го Сун объясняют тем, что наличие в металле добавок, обладающих большим или меньшим сродством к водороду, чем железо, приводит к соответствующему изменению коэффициента диффузии, а следовательно, к изменению энергии активации процесса диффузии.  

Зависимость скорости диффузии низкомолекулярных ве-щест в в кристаллизующихся сополимерах от состава цепи приведена на рис. 5.14, 5.15. Можно видеть, что по мере амор-физации матрицы различия между DKP и Аш уменьшаются, а в средней области составов сополимеров (/ кр 0) они совпадают между собой.  

Зависимость скорости диффузии примесных элементов в твердом растворителе от размера зерна общеизвестна.  

Вследствие зависимости скорости диффузии от температуры способность ОВ проникать в лаковые и прочие покрытия в зимних условиях очень низка. Например, при - 10 С практически ОВ не проникают в лакокрасочные покрытия.  

Поскольку зависимость скоростей диффузии и релаксации от темп-ры и концентрации не одинакова, при одних темп-рных и концентрационных условиях С. Поэтому при изменении темн-ры и концентрации возможен переход от С.  

Поскольку зависимость скоростей диффузии и релаксации от темп-ры и концентрации не одинакова, при одних темп-рных и концентрационных условиях С. Поэтому при изменении темп-ры и концентрации возможен переход от С.  

Представьте график зависимости скорости диффузии и скорости химической реакции от температуры для гетерогенной реакции и укажите, в каком интервале температур реакция протекает в диффузионной области, а в каком - в кинетической.  

Весьма важно знать зависимость скорости диффузии от диаметра дуги.  

Также легко объяснить зависимость скорости диффузии от температуры. Более высокая температура означает более высокие молекулярные скорости и более быструю диффузию. Наличие градиентов температуры приводит к возникновению термической диффузии. Явление термической диффузии заключается в том, что наличие градиента температуры в смеси двух газов приводит к возникновению градиента относительных концентраций этих компонентов. Если смесь, как целое, находится в состоянии покоя, градиент концентрации при равновесии будет таким, что действие термической диффузии уравновешивается действием обыкновенной диффузии.  

Также легко уяснить себе зависимость скорости диффузии от температуры и давления. Более высокая температура означает более высокие молекулярные скорости и более быструю диффузию. Более высокое давление означает меньшую длину свободного пути и более медленную диффузию.  

Также легко уяснить себе зависимость скорости диффузии от температуры. Более высокая температура означает более высокие молекулярные скорости и более быструю диффузию. Наличие температурных градиентов приводит к возникновению термической диффузии. Явление термической диффузии заключается в том, что наличие градиента температур в смеси двух газов приводит к возникновению градиента относительных концентраций этих компонентов.  

В настоящей работе выяснялась зависимость скорости диффузии ионов меди в стекло от природы и количества в стекле щелочных окислов, а также от природы окислов щелочноземельных элементов.  

Газизова Гузель

«Шаги в науку – 2016»

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное бюджетное общеобразовательная учреждение

« Арская средняя общеобразовательная школа № 7» Арского

Муниципального района Республика Татарстан.

Республиканская научно-практическая конференция

«Шаги в науку – 2016»

Секция: Физика и техническое творчество

Исследовательская работа

Тема: Наблюдение диффузии в воде и влияние температуры на скорость диффузии.

Должность.

Газизова Гузель Робертовна Зиннатуллин Фидарис Файсалович

ученица 7 класса учитель физики 1 кв. категории.

2016 г.

1. Введение Стр. 3

1. Проблема исследования
2. Актуальность темы и практическая значимость исследования
3. Объект и предмет исследования
4. Цели и задачи
5. Гипотеза исследования

1. Основная часть исследовательской работы Стр.5

1. Описание места и условий наблюдений и опытов
2. Методика исследования, её обоснованность
3. Основные результаты эксперимента
4. Обобщение и выводы

1. Заключение Стр.6
2. Список литературы Стр.7

Диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) - процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Если в раствор медного купороса аккуратно налить воду, то между двумя слоями образуется четкая граница раздела (медный купорос тяжелее воды). Но через два дня в сосуде будет однородная жидкость. Это происходит совершенно произвольно.

Другой пример связан с твёрдым телом: если один конец стержня нагреть, или электрически зарядить, распространяется тепло (или соответственно электрический ток) от горячей (заряженной) части к холодной (незаряженной) части. В случае металлического стержня тепловая диффузия развивается быстро, а ток протекает почти мгновенно. Если стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно, а диффузия электрически заряженных частиц - очень медленно. Диффузия молекул протекает в общем ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микрометров только через несколько тысяч лет.

Первое количественное описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком в 1855 году.

Диффузия имеет место в газах, жидкостях и твёрдых телах, причём диффундировать могут как находящиеся в них частицы посторонних веществ, так и собственные частицы.

Диффузия в жизни человека

Изучая явление диффузии, я пришла к выводу, что именно благодаря этому явлению человек живет. Ведь, как известно, воздух, которым мы дышим, состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. Находится он в тропосфере - в нижнем слое атмосферы. Если бы не было диффузионных процессов, то наша атмосфера просто расслоилась бы под действием силы тяжести, которая действует на все тела, находящиеся на поверхности Земли или вблизи нее, в том числе и на молекулы воздуха. Внизу расположился бы боле тяжелый слой углекислого газа, над ним – кислород, выше - азот и инертные газы. А ведь для нормальной жизнедеятельности нам необходим именно кислород, а не углекислый газ. Диффузия происходит и в самом организме человека. Дыхание и пищеварение человека основано на диффузии. Если говорить о дыхании, то в каждый момент времени в кровеносных сосудах, оплетающих альвеолы, находится примерно 70 мл крови, из которой в альвеолы диффундирует углекислый газ, а в обратном направлении - кислород. Огромная поверхность альвеол даёт возможность уменьшить толщину слоя крови, обменивающейся газами с внутриальвеолярным воздухом, до 1 мкм, что позволяет менее чем за 1 с насытить это количество крови кислородом и освободить её от избытка углекислоты.

Также это явление влияет и на организм человека - кислород воздуха проникает в кровяные капилляры легких путем диффузии через стенки альвеол, а затем растворяясь в них, разносится по всему организму, обогащая его кислородом.

Диффузия используется во многих технологических процессах: засолка, получение сахара (стружка сахарной свёклы промывается водой, молекулы сахара диффундируют из стружки в раствор), варка варенья, окрашивание тканей, стирка вещей, цементация, сварка и пайка металлов, в том числе диффузионная сварка в вакууме (свариваются металлы, которые другими методами соединить невозможно, - сталь с чугуном, серебро с нержавеющей сталью и т.д.) и диффузионная металлизация изделий(поверхностное насыщение стальных изделий алюминием, хромом, кремнием), азотирование - насыщение поверхности стали азотом (сталь становится твёрдой, износоустойчивой), цементация - насыщение стальных изделий углеродом, цианирование -насыщение поверхности стали углеродом и азотом.

Как видно из приведенных примеров диффузионные процессы играют очень важную роль в жизни людей

Проблема: Почему диффузия протекает по–разному при разной температуре?

Актуальность данного исследования я вижу в том, что тема «Диффузия в жидких, твердых и газообразных состояниях» является жизненно важной не только курсе физики. Знания о диффузии могут пригодиться мне в повседневной жизни. Эти сведения помогут подготовиться к экзамену по физике за курс основной и средней школы. Тема мне очень понравилась, и я решил изучить её глубже.

Объект моего исследования – диффузия, протекающая в воде при разной температуре, а предметом изучения – наблюдения с помощью постановки опытов в различных температурных режимах.

Цель работы:

1. Расширить знания о диффузии, её зависимости от разных факторов.
2. Объяснить физическую природу явления диффузии на основе молекулярного строения вещества.
3. Выяснить зависимость скорости диффузии от температуры у смешивающихся жидкостей.
4. Подтвердить теоретические факты опытными результатами.
5. Обобщить полученные знания и выработать рекомендации.

Задачи исследования:

1. Исследовать скорость протекания диффузии в воде при разной температуре.
2. Доказать, что испарение жидкости есть результат движения молекул

Гипотеза: при высокой температуре молекулы движутся быстрее и из-за этого быстрее перемешиваются.

Основная часть исследовательской работы

Для своих исследований я взяла два стакана. В один налил теплой воды, а в другой – холодной. Одновременно опустил в них по пакетику чая. Теплая вода окрасилась в коричневый цвет быстрее, чем холодная. Известно, что в теплой воде молекулы движутся быстрее, так как их скорость зависит от температуры. А значит, молекулы чая быстрее проникнут между молекулами воды. В холодной воде скорость молекул замедленна, поэтому явление диффузии здесь протекает медленнее. Явление проникновения молекул одного вещества между молекулами другого называется диффузией.

Затем я налил в два стакана одинаковое количество воды. Один стакан оставил на столе в комнате, а другой поставил в холодильник. Через пять часов сравнил уровни воды. Оказалось, что в стакане из холодильника, уровень практически не изменился. Во втором - уровень заметно уменьшился. Это вызвано передвижением молекул. И оно больше, чем больше температура. При большей скорости молекулы воды, приближаясь к поверхности, «выпрыгивают». Данное движение молекул называется испарением. Опыт показал, что испарение протекает быстрее при более высокой температуре, так как чем быстрее движутся молекулы, тем больше молекул улетает из жидкости за одно и то же время. В холодной воде скорость маленькая, поэтому они остаются в стакане.

Заключение:

На основании проведенного эксперимента и наблюдений за диффузией в воде, имеющей разную температуру, я убедился, что температура сильно влияет на скорость молекул. Доказательством этого послужила разная степень протекания испарения. Таким образом, чем горячее вещество, тем больше скорость молекул. Чем холоднее – тем меньше скорость молекул. Следовательно, диффузия в жидкостях будет проходить быстрее при высокой температуре.

Литература:

1. А.В.Перышкин. Физика 7 класс. М.: Дрофа, 2011.
2. Библиотека «Первого сентября». М.: «Первое сентября», 2002.
3. Биофизика на уроках физики. Из опыта работы. М., «Просвещение», 1984.

Среди многочисленных явлений в физике процесс диффузии относится к одним из самых простых и понятных. Ведь каждое утро, готовя себе ароматный чай или кофе, человек имеет возможность наблюдать эту реакцию на практике. Давайте узнаем больше об этом процессе и условиях его протекания в разных агрегатных состояниях.

Что такое диффузия

Данным словом именуется проникновение молекул или атомов одного вещества между аналогичными структурными единицами другого. При этом концентрация проникающего соединений выравнивается.

Впервые этот процесс был подробно описан немецким ученым Адольфом Фиком в 1855 г.

Название данного термина было образовано от латинского diffusio (взаимодействие, рассеивание, распространение).

Диффузия в жидкости

Рассматриваемый процесс может происходить с веществами во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Чтобы отыскать практические примеры этого, стоит просто заглянуть на кухню.

Варящийся на плите борщ - это один из них. Под действием температуры молекулы глюкозинбетанина (вещества, благодаря которому свекла обладает таким насыщенным алым цветом) равномерно реагируют с молекулами воды, придавая ей неповторимый бордовый оттенок. Данный случай - это в жидкостях.

Помимо борща, данный процесс можно увидеть и в стакане чая или кофе. Оба эти напитка имеют столь равномерный насыщенный оттенок благодаря тому, что заварка или частички кофе, растворяясь в воде, равномерно распространяются между ее молекулами, окрашивая ее. На этом же принципе построено действие всех популярных растворимых напитков девяностых: Yupi, Invite, Zuko.

Взаимопроникновение газов

Атомы и молекулы, переносящие запах, находятся в активном движении и вследствие него перемешиваются с частицами, уже содержащимися в воздухе, и довольно равномерно рассеиваются в объеме помещения.

Это проявление диффузии в газах. Стоит отметить, что само вдыхание воздуха тоже относится к рассматриваемому процессу, как и аппетитный запах свежеприготовленного борща на кухне.

Диффузия в твердых телах

Кухонный стол, на котором стоят цветы, застелен скатертью яркого желтого цвета. Подобный оттенок она получила благодаря способности диффузии проходить в твердых телах.

Сам процесс придания полотну какого-то равномерного оттенка проходит в несколько этапов следующим образом.

1. Частички желтого пигмента диффундировали в красильной емкости по направлению к волокнистому материалу.
2. Далее они были впитаны внешней поверхностью окрашиваемой ткани.
3. Следующим шагом была снова диффузия красителя, но на этот раз уже внутрь волокон полотна.
4. В финале ткань зафиксировала частички пигмента, таким образом окрасившись.

Диффундирование газов в металлах

Обычно, говоря об этом процессе, рассматривают взаимодействия веществ в одинаковых агрегатных состояниях. Например, диффузия в твердых телах, твердых веществах. Для доказательства этого явления проводится опыт с двумя прижатыми друг к другу металлическими пластинами (золото и свинец). Взаимопроникновение их молекул происходит довольно долго (один миллиметр за пять лет). Этот процесс используется для изготовления необычных украшений.

Однако диффундировать способны и соединения в разных агрегатных состояниях. К примеру, существует диффузия газов в твердых телах.

В процессе экспериментов было доказано, что подобный процесс протекает в атомарном состоянии. Для его активации, как правило, нужно значительно повышение температуры и давления.

Примером такой газовой диффузии в твердых телах является водородная коррозия. Она проявляется в ситуациях, когда возникшие в процессе какой-нибудь химической реакции атомы водорода (Н 2) под действием высоких температур (от 200 до 650 градусов Цельсия) проникают между структурными частицами металла.

Помимо водорода, в твердых телах диффузия кислорода и других газов также способна происходить. Этот незаметный глазу процесс приносит немало вреда, ведь из-за него могут рушиться металлические сооружения.

Диффундирование жидкостей в металлах

Однако не только молекулы газов могут проникать в твердые тела, но и жидкостей. Как и в случае с водородом, чаще всего такой процесс приводит к коррозии (если речь идет о металлах).

Классическим примером диффузии жидкости в твердых телах является коррозия металлов под воздействием воды (Н 2 О) или растворов электролитов. Для большинства этот процесс более знаком под названием ржавления. В отличие от водородной коррозии, на практике с ним приходится сталкиваться значительно чаще.

Условия ускорения диффузии. Коэффициент диффузии

Разобравшись с тем, в каких веществах может происходить рассматриваемый процесс, стоит узнать об условиях его протекания.

В первую очередь быстрота диффузии зависит от того, в каком агрегатном состоянии пребывают взаимодействующие вещества. Чем больше в котором происходит реакция, тем медленнее ее скорость.

В связи с этим диффузия в жидкостях и газах всегда будет проходить более активно, нежели в твердых телах.

К примеру, если кристаллы перманганата калия KMnO 4 (марганцовка) бросить в воду, они в течение нескольких минут придадут ей красивый малиновый цвет. Однако если посыпать кристаллами KMnO 4 кусочек льда и положить все это в морозилку, по прошествии нескольких часов перманганат калия так и не сможет полноценно окрасить замороженную Н 2 О.

Из предыдущего примера можно сделать еще один вывод об условиях диффузии. Помимо агрегатного состояния, на скорость взаимопроникновения частиц влияет также и температура.

Чтобы рассмотреть зависимость от нее рассматриваемого процесса, стоит узнать о таком понятии, как коэффициент диффузии. Так называется количественная характеристика ее скорости.

В большинстве формул она обозначается при помощи большой латинской литеры D и в системе СИ измеряется в квадратных метрах на секунду (м²/с), иногда - в сантиметрах за секунду (см 2 /м).

Коэффициент диффузии равен количеству вещества, рассеивающегося через единицу поверхности на протяжении единицы времени, при условии, что разность плотностей на обеих поверхностях (расположенных на расстоянии равном единице длины) равна единице. Критерии, определяющие D, - это свойства вещества, в котором происходит сам процесс рассеивания частиц, и их тип.

Зависимость коэффициента от температуры можно описать при помощи уравнения Аррениуса: D = D 0exp (-E/TR).

В рассмотренной формуле Е - минимальная энергия, необходимая для активации процесса; Т - температура (измеряется по Кельвину, а не Цельсию); R - постоянная газовая, характерная для идеального газа.

Помимо всего вышеперечисленного, на скорость диффузии в твердых телах, жидкости в газах влияет давление и излучение (индукционное или высокочастотное). Кроме того, многое зависит от наличия катализирующего вещества, часто именно оно выступает в роли пускового механизма для начала активного рассеивания частиц.

Уравнение диффузии

Данное явление - частный вид уравнения дифференциального при частных производных.

Его цель - отыскать зависимость концентрации вещества от размеров и координат пространства (в котором оно диффундирует), а также времени. При этом заданный коэффициент характеризует проницаемость среды для реакции.

Чаще всего уравнение диффузии записывают следующим образом: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .

В нем φ (t и r) — плотность рассеивающегося вещества в точке r во время t. D (φ, r) — диффузии обобщенный коэффициент при плотности φ в точке r.

∇ — векторный дифференциальный оператор, компоненты которого по координатам относятся к частным производным.

Когда коэффициент диффузии зависим от плотности, уравнение является нелинейным. Когда нет — линейным.

Рассмотрев определение диффузии и особенности данного процесса в разных средах, можно отметить, что он имеет как положительные, так и отрицательные стороны.