Все, что происходит с нами и вокруг нас всегда вызывает интерес. Одним из интересных процессов, которым интересуются многие люди, является диффузия. Если вам интересно, диффузия что такое, то наша статья будет полезной.

Что такое диффузия?

Диффузия представляет собой процесс, когда смесь переходит из области с высокой концентрацией в области низкой концентрацией. Причиной этого является перемещение атомов и молекул. Обычно причиной служит тепло, под воздействием которого весь процесс и происходит. Заканчивается он тогда, когда градиент концентрации кончается.

Диффузия газов и жидкостей происходит быстро, что нельзя сказать о твердых веществах. Это легко заметно в обычной жизни, ведь нагреть воду гораздо быстрее, чем растопить пластмассу. Для сравнения многие люди смешивают в оду с марганцовкой, которая окрашивает жидкость за пару секунд. А вот проделать это с пластилином уже невозможно. Если два куска пластилина смешать, то для того чтобы они взаимодействовали, необходимо приложить немало усилий. Это еще раз подтверждает, что скорость диффузии может быть различной. Синтетические материалы подвержены слабой диффузии, а металлические наоборот.

Диффузировать могут частицы, которые всегда находятся в веществе. Также этому процессу поддаются и посторонние вещества.

Как вызвать диффузию?

Чтобы диффузия произошла в газах и жидкостях необходимо применить броуновское движение. Оно представляет собой движение молекул под воздействием высоких температур.

Для того чтобы вызвать диффузию твердых веществ можно использовать диффузный насос. В нем есть масло, которое нагревается и поднимается вверх, а там уже происходит откачивание. Пары в это время проходят вверх и по специальным каналам насоса опускаются вниз для охлаждения. По пути они захватывают газы и уносят их с собой. Пар конденсируется и стекает в специальную емкость. Все это позволяет добиваться минимального давления.

Виды диффузии

Диффузия может быть:

• коллоидная;
• конвективная;
• квантовая;
• турбулентная.

Первый вид диффузии представляет собой процесс, который происходит в твердых телах. Турбулентная – это перенос мельчайших частиц в потоке турбулентности. Квантовая диффузия отмечается там, где очень низкие температуры и присутствует конденсат. Конвективная диффузия происходит, когда частицы двигаются в среде, которая тоже двигается с особой скоростью.

Нередко можно наблюдать, как к диффузии относят явления, во время которых не переносятся частицы. Например, в оптике можно встретить процесс переноса излучения в среде, которая отличается неоднородностью. Это процесс должен сопровождаться поглощением фотонов, что и называют диффузией.

Где можно увидеть диффузию в жизни?

Самым легким примером показа того, как работает диффузия, является наше дыхание. Кислород попадает в наши легкие при их раскрытии, а потом перемещается в кровь. С помощью диффузии углекислый газ не скапливается вокруг человека, а смешивается с кислородом и рассеивается равномерно по воздуху. Наблюдать данный процесс можно и в других сферах жизни.

ДИФФУЗИЯ (от латинского diffusio - растекание, распространение, рассеивание), процесс установления наиболее вероятного пространственного распределения частиц при их хаотическом движении в газах, жидкостях и твёрдых телах. Диффузия - частный случай переноса явлений.

В термодинамически равновесной среде, состоящей из двух и более компонент, при отсутствии внешних воздействий диффузия приводит к выравниванию концентраций частиц каждой компоненты во всём объёме среды. В бинарной смеси при малой концентрации диффундирующего вещества плотность диффузионного потока J частиц связана с градиентом их концентрации ∇n соотношением: J = ‒D∇n (1-й закон Фика, смотри Фика законы), где D - коэффициент диффузии. При этом изменение концентрации n во времени t и пространстве посредством диффузии с независимым от координат значением D описывается уравнением диффузии:

∂n/∂t = D∆n (1)

(2-й закон Фика). Если диффундирующие частицы могут рождаться или гибнуть, то в правую часть уравнения (1) добавляются соответствующие источники или стоки, например скорость изменения концентрации в химических реакциях (∂n/∂t) хим. Сочетанием диффузии с химическими реакциями характеризуются многие процессы горения и распространения фронта пламени. Диффузия нейтронов наряду с их рождением и поглощением - один из основных процессов, протекающих в активной зоне ядерного реактора и в окружающей радиационной защите.

Микроскопической основой диффузии является диффузионное движение (случайное блуждание) каждой отдельной частицы. Такое движение не прекращается и при J = 0. Любое начальное движение частицы в равновесной среде превращается со временем в тепловое движение. Диффундирующая частица, двигаясь и многократно меняя направление движения в результате столкновений (рассеяния на молекулах среды), уходит за время t от своего начального положения на расстояние, средний квадрат которого по большому числу траекторий равен 6Dt. При этом в любом заданном направлении, например по оси х, средний квадрат пройденного расстояния равен 2Dt. В газе D ≈ lv/3, где l - длина свободного пробега частицы, v - её средняя тепловая скорость. Коэффициент D, как и длина свободного пробега l, обратно пропорционален плотности газа. В газе нормальной плотности l порядка 10 -4 -10 -5 см. Тепловые скорости атомов и молекул (кроме водорода и гелия) составляют в нормальных условиях (при температуре около 0 °С) десятые доли км/с. Соответственно для таких газов в нормальных условиях D порядка 0,1-1 см 2 /с. В жидкости диффузионное движение частицы слагается из эпизодических перемещений на расстояния порядка размера молекулы и малых колебаний около временных положений равновесия. Вследствие затраты времени на такие колебания коэффициенты диффузии в жидкости много меньше, чем в газе.

В твёрдом теле диффузия дополнительно затруднена фиксированным положением атомов среды, образующих кристаллическую решётку. Механизмами диффузии в твёрдом теле могут быть: обмен местами между частицей примеси и оказавшейся рядом вакансией (дыркой) или с соседним атомом среды, движение частицы по междоузлиям и более сложные коллективные перемещения. Такие процессы связаны с преодолением значительных потенциальных барьеров. Поэтому коэффициент диффузии в твёрдом теле сильно (экспоненциально) зависит от температуры. (Эта закономерность, выраженная количественно слабее, характерна и для жидкостей.) Пример медленной диффузии в твёрдом теле: в металлических баллонах даже при высоком давлении газы хранятся годами без существенной утечки. При низких температурах в конденсированных средах определяющим механизмом диффузии может быть квантовая диффузия (туннелирование) атомов.

Характерным свойством диффузии является отсутствие резкой границы (фронта), разделяющей диффузионное облако от среды, в которой оно распространяется. Граница, заданная искусственно в начальный момент времени, например при мгновенном удалении оболочки с капли красителя, помещённой в воду, быстро размывается. Квадрат радиуса сферы, в которой находится основная масса красителя, увеличивается пропорционально времени. Соответственно скорость роста радиуса убывает как t -1/2 . Подобная закономерность свойственна и процессу теплопередачи.

Диффузию частицы в «собственной» среде, например молекулы воды в воде или атома алюминия в металлическом алюминии, называют самодиффузией. Коэффициент самодиффузии измеряют методом изотопных индикаторов, вводя локально радиоактивный изотоп атома (молекулы) исследуемой среды и наблюдая за его перераспределением во времени. Причиной диффузионного потока могут быть градиент температуры (термодиффузия), электрическое поле (электродиффузия), градиент давления в микропористой перегородке или гравитационное поле (бародиффузия). В этих случаях концентрационное равновесие (отсутствие диффузионного потока) достигается при ∇n ≠ 0, т. е. при пространственно неоднородном распределении концентраций. В плазме диффузии заряженных частиц на расстояния, больше дебаевского радиуса экранирования, происходит без нарушения квазинейтральности плазмы (амбиполярная диффузия).

Кроме диффузии частиц в пространстве, в обобщённом смысле рассматривается диффузия квазичастиц, энергии, импульса и т.п. в фазовом пространстве.

Диффузия играет важную (часто определяющую) роль во многих естественных явлениях и в технологических процессах.

Лит.: Гроот С. де, Мазур П. Неравновесная термодинамика. М., 1964; Хаазе Р. Термодинамика необратимых процессов. М., 1967; Грэй П. Физика простых жидкостей. М., 1971. Ч. 1: Статистическая теория.

О таком понятии, как диффузия, слышали абсолютно все люди. Это было одной из тем на уроках физики в 7 классе. Несмотря на то что это явление окружает нас абсолютно везде, мало кто знает о нём. Что же оно всё-таки означает? В чём заключается его физический смысл , и как можно облегчить жизнь с её помощью? Сегодня мы с вами об этом и поговорим.

Вконтакте

Одноклассники

Диффузия в физике: определение

Это - процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Говоря простым языком, этот процесс можно назвать смешиванием. Во время этого смешивания происходит взаимное проникновение молекул вещества друг между другом . Например, при приготовлении кофе молекулы растворимого кофе проникают в молекулы воды и наоборот.

Скорость этого физического процесса зависит от следующих факторов:

1. Температура.
2. Агрегатное состояние вещества.
3. Внешнее воздействие.

Чем выше температура вещества, тем быстрее движутся молекулы. Следовательно, процесс смешивания происходит быстрее при высоких температурах.

Агрегатное состояние вещества - важнейший фактор . В каждом агрегатном состоянии молекулы движутся с определённой скоростью.

Диффузия может протекать в следующих агрегатных состояниях:

1. Жидкость.
2. Твёрдое тело.

Скорее всего, у читателя сейчас возникнут следующие вопросы:

1. Каковы причины возникновения диффузии?
2. Где она протекает быстрее?
3. Как она применяется в реальной жизни?

Ответы на них можно узнать ниже.

Причины возникновения

Абсолютно у всего в этом мире есть своя причина. И диффузия не является исключением . Физики прекрасно понимают причины её возникновения. А как донести их до обычного человека?

Наверняка каждый слышал о том, что молекулы находятся в постоянном движении. Причём это движение является беспорядочным и хаотичным, а его скорость очень большая. Благодаря этому движению и постоянному столкновению молекул происходит их взаимное проникновение.

Есть ли какие-то доказательства этого движения? Конечно! Вспомните, как быстро вы начинали чувствовать запах духов или дезодоранта? А запах еды, которую готовит ваша мама на кухне? Вспомните, как быстро готовится чай или кофе . Всего этого не могло быть, если бы не движение молекул. Делаем вывод - основная причина диффузии заключается в постоянном движении молекул.

Теперь остаётся только один вопрос - чем же обусловлено это движение? Оно обусловлено стремлением к равновесию. То есть, в веществе есть области с высокой и низкой концентрацией этих частиц. И благодаря этому стремлению они постоянно движутся из области с высокой концентрацией в низкоконцентрированную. Они постоянно сталкиваются друг с другом , и происходит взаимное проникновение.

Диффузия в газах

Процесс смешивания частиц в газах самый быстрый. Он может происходить как между однородными газами, так и между газами с разной концентрацией.

Яркие примеры из жизни:

1. Вы чувствуете запах освежителя воздуха благодаря диффузии.
2. Вы чувствуете запах приготовленной пищи. Заметьте, его вы начинаете чувствовать сразу, а запах освежителя через несколько секунд. Это объясняется тем, что при высокой температуре скорость движения молекул больше.
3. Слезы, возникающие у вас при нарезании лука. Молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха, и ваши глаза на это реагируют.

Как протекает диффузия в жидкостях

Диффузия в жидкостях протекает медленнее. Она может длиться от нескольких минут до нескольких часов.

Самый яркие примеры из жизни:

1. Приготовление чая или кофе.
2. Смешивание воды и марганцовки.
3. Приготовление раствора соли или соды.

В этих случаях диффузия протекает очень быстро (до 10 минут). Однако если к процессу будет приложено внешнее воздействие, например, размешивание этих растворов ложкой, то процесс пойдёт гораздо быстрее и займёт не более одной минуты.

Диффузия при смешивании более густых жидкостей будет происходить гораздо дольше. Например, смешивание двух жидких металлов может занимать несколько часов. Конечно, можно сделать это за несколько минут, но в таком случае получится некачественный сплав .

Например, диффузия при смешивании майонеза и сметаны будет протекать очень долго. Однако, если прибегнуть к помощи внешнего воздействия, то этот процесс и минуты не займёт.

Диффузия в твёрдых телах: примеры

В твёрдых телах взаимное проникновение частиц протекает очень медленно. Этот процесс может занять несколько лет. Его длительность зависит от состава вещества и структуры его кристаллической решётки.

Опыты, доказывающие, что диффузия в твёрдых телах существует.

1. Слипание двух пластин разных металлов. Если держать эти две пластины плотно друг к другу и под прессом, в течение пяти лети между ними будет слой, имеющий ширину 1 миллиметр. В этом небольшом слое будут находиться молекулы обоих металлов. Эти две пластины будут слиты воедино.
2. На тонкий свинцовый цилиндр наносится очень тонкий слой золота. После чего эта конструкция помещается в печь на 10 дней. Температура воздуха в печи - 200 градусов Цельсия. После того как этот цилиндр разрезали на тонкие диски, было очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.

Примеры диффузии в окружающем мире

Как вы уже поняли, чем тверже среда, тем меньше скорость смешивания молекул. Теперь давайте поговорим о том, где в реальной жизни можно получить практическую пользу от этого физического явления.

Процесс диффузии происходит в нашей жизни постоянно. Даже когда мы лежим на кровати, очень тонкий слой нашей кожи остаётся на поверхности простыни. А также в неё впитывается пот. Именно из-за этого постель становится грязной, и её необходимо менять.

Так, проявление этого процесса в быту может быть следующим:

1. При намазывании масла на хлеб оно в него впитывается.
2. При засолке огурцов соль сначала диффундирует с водой, после чего солёная вода начинает диффундировать с огурцами. В результате чего мы получаем вкуснейшую закуску. Банки необходимо закатывать. Это нужно для того, чтобы вода не испарялась. А точнее, молекулы воды не должны диффундировать с молекулами воздуха.
3. При мытье посуды молекулы воды и чистящего средства проникают в молекулы оставшихся кусочков еды. Это помогает им отлипать от тарелки, и сделать её более чистой.

Проявление диффузии в природе:

1. Процесс оплодотворения происходит именно благодаря этому физическому явлению. Молекулы яйцеклетки и сперматозоида диффундируют, после чего появляется зародыш.
2. Удобрение почв. Благодаря использованию определённых химических средств или компоста почва становится более плодородной. Почему так происходит? Суть в том, что молекулы удобрения диффундируют с молекулами почвы. После чего процесс диффузии происходит между молекулами почвы и корня растения. Благодаря этому сезон будет более урожайным.
3. Смешивание производственных отходов с воздухом сильно загрязняет его. Из-за этого в радиусе километра воздух становится очень грязным. Его молекулы диффундируют с молекулами чистого воздуха из соседних районов. Именно так ухудшается экологическая обстановка в городе.

Проявление этого процесса в промышленности:

1. Силицирование - процесс диффузионного насыщения кремнием. Он проводится в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой детали имеет не очень высокую твёрдость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серной кислотах.
2. Диффузия в металлах при изготовлении сплавов играет большую роль. Для получения качественного сплава необходимо производить сплавы при высоких температурах и с внешним воздействием. Это значительно ускорит процесс диффузии.

Эти процессы происходят в различных областях промышленности:

1. Электронная.
2. Полупроводниковая.
3. Машиностроение.

Как вы поняли, процесс диффузии может оказывать на нашу жизнь как положительный, так и отрицательный эффект. Нужно уметь управлять своей жизнью и максимально использовать пользу от этого физического явления, а также минимизировать вред.

Теперь вы знаете, в чём сущность такого физического явления, как диффузия. Она заключается во взаимном проникновении частиц благодаря их движению. А в жизни движется абсолютно все. Если вы школьник, то после прочтения нашей статьи вы точно получите оценку 5. Успехов вам!

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы .

Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит с огромной скоростью. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает 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 микронов только через несколько тысяч лет. Другой пример: на золотой слиток был положен слиток свинца, и под грузом за пять лет свинцовый слиток проник в золотой слиток на сантиметр.

∂ C ∂ t = ∂ ∂ x D ∂ C ∂ x . {\displaystyle {\frac {\partial C}{\partial t}}={\partial \over \partial x}D{\frac {\partial C}{\partial x}}.}

Коэффициент диффузии D {\displaystyle D} зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температуры эта зависимость представляет собой соотношение Эйнштейна .

Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние . В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера-Планка . Процессы диффузии имеют большое значение в природе:

• Питание, дыхание животных и растений;
• Проникновение кислорода из крови в ткани человека.

Геометрическое описание уравнения Фика

Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения концентрации во времени, а в правой части уравнения - вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение концентрации, в частности, выпуклость функции распределения температуры, проецируемую на ось x {\displaystyle x} .

Уравнения Онзагера для многокомпонентной диффузии и термодиффузии

Законы Фика применимы для случая малых значений концентраций n {\displaystyle n} и градиентов концентрации − ∇ n {\displaystyle -\nabla n} .

Транспортное уравнение в таком случае может быть записано в следующем виде:

∂ n i ∂ t = − d i v J i = − ∑ j ≥ 0 L i j d i v X j = ∑ k ≥ 0 [ − ∑ j ≥ 0 L i j ∂ 2 s (n) ∂ n j ∂ n k | n = n ∗ ] Δ n k . {\displaystyle {\frac {\partial n_{i}}{\partial t}}=-{\rm {div}}\mathbf {J} _{i}=-\sum _{j\geq 0}L_{ij}{\rm {div}}X_{j}=\sum _{k\geq 0}\left[-\sum _{j\geq 0}L_{ij}\left.{\frac {\partial ^{2}s(n)}{\partial n_{j}\partial n_{k}}}\right|_{n=n^{*}}\right]\Delta n_{k}\ .}

Здесь индексы i , j , k = 0 , 1 , 2... {\displaystyle i,~j,~k=0,1,2...} относятся к внутренней энергии (0) и разным компонентам. Выражение в квадратных скобках является матрицей D i k {\displaystyle D_{ik}} диффузионных( i , k > 0 {\displaystyle i,~k>0} ), термодиффузионных ( i > 0 {\displaystyle i>0} , k = 0 ∨ k > 0 , i = 0 {\displaystyle k=0\lor k>0,~i=0} ) и температуропроводных ( i = k = 0 {\displaystyle i=k=0} ) коэффициентов.

В изотермическом случае ( T = c o n s t {\displaystyle T=const} ) и термодинамический потенциал выражается через свободную энергию (или свободную энтропию (англ.) русск. ). Термодинамическая движущая сила для изотермичной диффузии определяется отрицательным градиентом химического потенциала − (1 / T) ∇ μ j {\displaystyle -(1/T)\nabla \mu _{j}} , и матрица диффузионных коэффициентов выглядит следующим образом:

D i k = 1 T ∑ j ≥ 1 L i j ∂ μ j (n , T) ∂ n k | n = n ∗ {\displaystyle D_{ik}={\frac {1}{T}}\sum _{j\geq 1}L_{ij}\left.{\frac {\partial \mu _{j}(n,T)}{\partial n_{k}}}\right|_{n=n^{*}}}

( i , k > 0 {\displaystyle i,~k>0} ).

Существует произвол в выборе определения для термодинамических сил и кинетических коэффициентов, поскольку мы не можем измерить их отдельно, а только их комбинацию ∑ j L i j X j {\displaystyle \sum _{j}L_{ij}X_{j}} . Например, в оригинальной работе Онзагер

Вследствие ничтожно малых размеров молекул, их содержание в веществе составляет огромное количество. Движение молекул любого вещества носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха молекулы вещества много раз меняют направление своего движения. И беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате. Происходит самопроизвольное перемешивание веществ. Это процесс диффузии. Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называется .Диффузия может происходить в любых веществах: и в газах, и в жидкостях и в твердых телах. Наиболее быстро этот процесс произойдет в газах, потому что расстояние между молекулами достаточно большие, а силы притяжения между ними . В жидкостях диффузия произойдет медленнее, чем в газах. Это объясняется тем, что молекулы расположены гуще, и поэтому « » через них достаточно труднее. Медленнее всего диффузия протекает в твердых телах, объяснимо это плотным расположением молекул. Если гладко отшлифованные пластины и золота положить друг на друга и грузом, то через пять лет можно наблюдать диффузию глубиной в один миллиметр.Явление диффузии ускоряется с повышением температуры. Это происходит потому, что при повышении температуры вещества, его молекулы движутся быстрее. И взаимное перемешивание произойдет быстрее. Поэтому сахар растворяется быстрее горячем чае, нежели в холодном.Диффузия играет большую роль . Так, например, диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений. Для человека данное явление жизненно важно, например, благодаря диффузии кислород из легких проникает в кровь человека, а из крови – в ткани.

Видео по теме

Источники:

• диффузия печени

Диффузия (от лат. diffusio – распространение, рассеивание, растекание) – это явление, при котором наблюдается взаимное проникновение молекул разных веществ между собой, т.е. молекулы одного вещества проникают между молекулами другого, и наоборот.

Диффузия в повседневной жизни

Явление диффузии часто можно наблюдать в повседневной жизни человека. Так, если внести в комнату источник какого-либо запаха – например, кофе или духи – этот запах вскоре распространится по всему помещению. Рассеивание пахучих веществ происходит из-за постоянного движения молекул. На своем пути они сталкиваются с молекулами газов, входящих в состав воздуха, меняют направление и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате. Такое распространение запаха – доказательство хаотичного и непрерывного движения молекул.

Как доказать, что тела состоят из непрерывно движущихся молекул

Для доказательства того, что все тела состоят из молекул, находящихся в постоянном движении, можно проделать следующий физический опыт.

Налейте в скатан или мензурку темно-голубой раствор медного купороса. Сверху осторожно прилейте чистую воду. Вначале между жидкостями будет видна резкая граница, но через несколько дней она станет размытой. Через пару недель граница, воду от раствора медного купороса, исчезнет совсем, и в сосуде образуется однородная жидкость бледно-голубого оттенка. Это скажет вам о том, что жидкости перемешались.

Чтобы объяснить наблюдаемое явление, можно предположить, что молекулы медного купороса и воды, расположенные возле поверхности раздела, меняются местами. Граница между жидкостями становится расплывчатой, поскольку молекулы медного купороса перемещаются в нижний слой воды, а молекулы воды – в верхний слой синего раствора. Постепенно молекулы всех этих веществ путем беспорядочного и непрерывного движения распространяются по всему объему, делая жидкость однородной. Это явление и названо