Физикадағы көптеген құбылыстардың ішінде диффузия процесі ең қарапайым және түсінікті болып табылады. Өйткені, күн сайын таңертең өзін хош иісті шай немесе кофе дайындап, адам бұл реакцияны іс жүзінде байқауға мүмкіндік алады. Бұл процесс және оның әртүрлі жиынтық күйлерде пайда болу шарттары туралы толығырақ білейік.
Диффузия дегеніміз не
Бұл сөз бір заттың молекулаларының немесе атомдарының басқа бір заттың ұқсас құрылымдық бірліктерінің арасына енуін білдіреді. Бұл жағдайда енетін қосылыстардың концентрациясы теңестіріледі.
Бұл процесті алғаш рет 1855 жылы неміс ғалымы Адольф Фик егжей-тегжейлі сипаттаған
Бұл терминнің атауы латынның diffusio вербалды зат есімінен (әрекеттесу, дисперсия, таралу) жасалған.
Сұйықтықтағы диффузия
Қарастырылып отырған процесс агрегацияның барлық үш күйіндегі заттармен болуы мүмкін: газ тәрізді, сұйық және қатты. Мұның практикалық мысалдары үшін жай қараңызас үй.
Пеште пісірілген борщ - соның бірі. Температураның әсерінен глюкозаның бетанин молекулалары (қызылшаның қанық қызыл түсі бар зат) су молекулаларымен біркелкі әрекеттесіп, оған ерекше бургундия реңк береді. Бұл жағдай сұйықтықтардағы диффузияның мысалы болып табылады.
Борщтан басқа бұл процесті бір стақан шай немесе кофеден де көруге болады. Бұл сусындардың екеуі де суда еритін шай жапырақтары немесе кофе бөлшектері оның молекулалары арасында біркелкі таралып, оны бояйтындығына байланысты біркелкі қаныққан реңкке ие. Тоқсаныншы жылдардағы барлық танымал жылдам сусындардың әрекеті бір принципке негізделген: Yupi, Invite, Zuko.
Газдардың бір-біріне енуі
Асүйдегі осы процестің көріністерін әрі қарай іздеуді жалғастыра отырып, асхана үстеліндегі жаңа піскен гүлдер шоғынан шығатын жағымды хош иісті иіскеп, ләззат алған жөн. Неліктен бұл болып жатыр?
Иісі бар атомдар мен молекулалар белсенді қозғалыста және нәтижесінде ауадағы бөлшектермен араласып, бөлме көлемінде біркелкі таралады.
Бұл газдардағы диффузияның көрінісі. Айта кету керек, ауаны ингаляциялаудың өзі де қарастырылып жатқан процеске жатады, сонымен қатар ас үйдегі жаңа піскен борщтың тәбетті иісі бар.
Қатты денелердегі диффузия
Гүлдері бар ас үй үстелі ашық сары дастарханмен жабылған. Ол арқасында осындай реңк алдыдиффузияның қатты денелерден өту қабілеті.
Кенепке біркелкі реңк беру процесі келесідей бірнеше кезеңнен тұрады.
- Сары пигмент бөлшектері сия ыдысында талшықты материалға қарай тарады.
- Одан кейін олар боялған матаның сыртқы бетіне сіңіп кетті.
- Келесі қадам бояуды қайтадан тарату болды, бірақ бұл жолы тордың талшықтарына.
- Финалда мата пигментті бөлшектерді бекітіп, түсті болды.
Газдардың металдардағы диффузиясы
Әдетте, бұл процесс туралы айтқанда, бір агрегаттық күйдегі заттардың өзара әрекеттесуін қарастырайық. Мысалы, қатты денелердегі диффузия, қатты денелер. Бұл құбылысты дәлелдеу үшін бір-біріне (алтын мен қорғасын) қысылған екі металл пластинамен тәжірибе жүргізіледі. Олардың молекулаларының өзара енуі өте ұзақ уақытты алады (бес жылда бір миллиметр). Бұл процесс әдеттен тыс зергерлік бұйымдарды жасау үшін қолданылады.
Алайда әртүрлі агрегаттық күйдегі қосылыстар да диффузияға қабілетті. Мысалы, қатты денелерде газдардың диффузиясы бар.
Тәжірибе барысында мұндай процесс атомдық күйде болатыны дәлелденді. Оны қосу үшін, әдетте, температура мен қысымның айтарлықтай жоғарылауы қажет.
Қатты денелердегі осындай газ тәрізді диффузияның мысалы сутегі коррозиясы болып табылады. Ол жағдайларда өзін көрсетедіКейбір химиялық реакциялар барысында жоғары температураның (200-ден 650 градус Цельсийге дейін) әсерінен пайда болған сутегі атомдары (Н2) металдың құрылымдық бөлшектерінің арасына енеді.
Сутегіден басқа, оттегінің және басқа газдардың диффузиясы қатты денелерде де болуы мүмкін. Көзге көрінбейтін бұл процесс көп зиян келтіреді, өйткені оның салдарынан металл құрылымдары құлауы мүмкін.
Сұйықтардың металдардағы диффузиясы
Алайда қатты денелерге газ молекулалары ғана емес, сонымен қатар сұйықтықтар да өте алады. Сутегі жағдайындағы сияқты, бұл процесс көбінесе коррозияға әкеледі (металдарға қатысты).
Қатты денелердегі сұйық диффузияның классикалық мысалы судың (H2O) немесе электролит ерітінділерінің әсерінен металдардың коррозиясы болып табылады. Көпшілік үшін бұл процесс тоттану деген атпен көбірек таныс. Сутегі коррозиясынан айырмашылығы, оны іс жүзінде жиі кездестіруге тура келеді.
Диффузияны жеделдету шарттары. Диффузия коэффициенті
Қарастырылып отырған процесс болуы мүмкін заттармен айналысқаннан кейін, оның пайда болу жағдайлары туралы білген жөн.
Біріншіден, диффузия жылдамдығы өзара әрекеттесетін заттардың агрегаттық күйіне байланысты. Реакция жүретін материалдың тығыздығы неғұрлым жоғары болса, оның жылдамдығы соғұрлым баяу болады.
Осыған байланысты сұйықтар мен газдардағы диффузия әрқашан қатты заттарға қарағанда белсендірек болады.
Мысалы, кристалдар болсакалий перманганаты KMnO4 (калий перманганаты) суға тастаңыз, олар таңқурайдың әдемі түсі береді бірнеше минут ішінде Түс. Дегенмен, мұздың бір бөлігіне KMnO4 кристалдарын сеуіп, барлығын мұздатқышқа салсаңыз, бірнеше сағаттан кейін калий перманганаты мұздатылған H 2O.
толық бояй алмау
Алдыңғы мысалдан диффузия шарттары туралы тағы бір қорытынды жасауға болады. Агрегация күйінен басқа, температура бөлшектердің өзара ену жылдамдығына да әсер етеді.
Қарастырылып отырған процестің оған тәуелділігін қарастыру үшін диффузия коэффициенті сияқты ұғымды білген жөн. Бұл оның жылдамдығының сандық сипаттамасының атауы.
Көптеген формулаларда ол бас латынның D әрпімен белгіленеді және SI жүйесінде секундына шаршы метрмен (м²/с), кейде секундына сантиметрмен (см2) өлшенеді. /м).
Диффузия коэффициенті екі беттегі (бірлік ұзындыққа тең қашықтықта орналасқан) тығыздық айырмашылығы бірге тең болған жағдайда бірлік уақыт ішінде бірлік беті арқылы шашыраңқы заттың мөлшеріне тең. D-ны анықтайтын критерийлер бөлшектердің шашырау процесінің өзі жүретін заттың қасиеттері және олардың түрі болып табылады.
Коэффициенттің температураға тәуелділігін Аррениус теңдеуі арқылы сипаттауға болады: D=D0exp(-E/TR).
Қарастырылып отырған формулада E – процесті белсендіру үшін қажетті минималды энергия; Т - температура (Цельсий бойынша емес, Кельвинмен өлшенеді); R-идеал газдың газ тұрақтысы.
Жоғарыда айтылғандардың барлығынан басқа қатты денелердегі, сұйықтардағы газдардағы диффузия жылдамдығына қысым мен сәулелену (индуктивті немесе жоғары жиілік) әсер етеді. Сонымен қатар, көп нәрсе каталитикалық заттың болуына байланысты, көбінесе ол бөлшектердің белсенді дисперсиясын бастау үшін триггер ретінде әрекет етеді.
Диффузия теңдеуі
Бұл құбылыс жартылай дифференциалдық теңдеудің белгілі бір түрі болып табылады.
Оның мақсаты – зат концентрациясының кеңістіктің (ол таралатын) өлшемі мен координатасына, сонымен қатар уақытқа тәуелділігін табу. Бұл жағдайда берілген коэффициент реакция үшін ортаның өткізгіштігін сипаттайды.
Көбінесе диффузия теңдеуі былай жазылады: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
Онда φ (t және r) t уақытындағы r нүктесіндегі шашырау затының тығыздығы. D (φ, r) - r нүктесіндегі φ тығыздықтағы жалпыланған диффузия коэффициенті.
∇ - құрамдастары координаттарда жартылай туынды болатын векторлық дифференциалдық оператор.
Диффузия коэффициенті тығыздыққа тәуелді болғанда, теңдеу сызықты емес. болмаған кезде - сызықтық.
Диффузияның анықтамасын және әртүрлі ортадағы бұл процестің ерекшеліктерін қарастыра отырып, оның оң және теріс жақтары бар екенін атап өтуге болады.
