Zacznijmy od tego, że ciecz jest pośrednim stanem skupienia. W krytycznej temperaturze wrzenia jest podobny do gazów, a w niskich temperaturach pojawiają się cechy zbliżone do ciała stałego. Ciecz nie posiada idealnego modelu, co znacznie komplikuje opis jej równowagowych właściwości termodynamicznych, temperatury zamarzania, lepkości, dyfuzji, przewodności cieplnej, napięcia powierzchniowego, entropii, entalpii.
Definicja
Co to jest dyfuzja? Jest to rozprzestrzenianie się, dystrybucja, ruch cząstek ośrodka, który prowadzi do przeniesienia materii, ustalenia stężeń równowagowych. W przypadku braku wpływów zewnętrznych proces ten jest determinowany przez ruch termiczny cząstek. W tym przypadku proces dyfuzji jest wprost proporcjonalny do stężenia. Strumień dyfuzji zmieni się podobnie do gradientu stężenia.
Odmiany
Jeżeli dyfuzja w cieczy przebiega ze zmianą temperatury, nazywa się to dyfuzją termiczną, w polu elektrycznym - elektrodyfuzją.
Proces ruchu dużych cząstek w cieczy lub gazie zachodzi podprawa ruchu Browna.
Cechy przepływu
Dyfuzja w gazach, cieczach i ciałach stałych przebiega z różnymi prędkościami. Ze względu na różnice w charakterze ruchu termicznego cząstek w różnych mediach, proces ma maksymalną prędkość w gazach, a minimalną - w ciałach stałych.
Trajektoria cząstki jest linią przerywaną, ponieważ kierunek i prędkość okresowo się zmieniają. Ze względu na nieuporządkowany ruch obserwuje się stopniowe usuwanie cząstki z jej pierwotnego położenia. Jego przemieszczenie po linii prostej jest znacznie krótsze niż ścieżka, która odbywa się po zerwanej ścieżce.
Prawo Ficka
Dyfuzja w cieczy jest zgodna z dwoma prawami Ficka:
- gęstość strumienia dyfuzji jest wprost proporcjonalna do stężenia ze współczynnikiem dyfuzji;
- Szybkość zmian gęstości strumienia dyfuzji jest wprost proporcjonalna do szybkości zmian stężenia i ma przeciwny kierunek.
Dyfuzja w cieczy charakteryzuje się skokami cząsteczek z jednej pozycji równowagi do drugiej. Każdy taki skok obserwuje się, gdy cząsteczce przekazuje się energię w objętości wystarczającej do zerwania wiązania z innymi cząsteczkami. Średni skok nie przekracza odległości między cząsteczkami.
Omawiając, czym jest dyfuzja w cieczy, zauważamy, że proces zależy od temperatury. Wraz z jego wzrostem następuje „rozluźnienie” struktury cieczy, w wyniku czego następuje gwałtowny wzrostliczba skoków na jednostkę czasu.
Dyfuzja w gazach, cieczach i ciałach stałych ma pewne charakterystyczne cechy. Na przykład w ciałach stałych mechanizm jest związany z ruchem atomów w sieci krystalicznej.
Cechy zjawiska
Dyfuzja w cieczy ma znaczenie praktyczne, ponieważ towarzyszy jej wyrównanie stężenia substancji w początkowo niejednorodnym ośrodku. Znacznie więcej cząstek wydostaje się z obszarów o wysokim stężeniu.
Eksperymenty
Eksperymenty z cieczami wykazały, że dyfuzja ma szczególne znaczenie w kinetyce chemicznej. W trakcie procesu chemicznego na powierzchni reagentów lub katalizatora proces ten przyczynia się do określenia szybkości usuwania produktów reakcji i dodawania odczynników początkowych.
Co wyjaśnia dyfuzję w cieczach? Cząsteczki rozpuszczalnika są w stanie przenikać przez przezroczyste błony, powodując ciśnienie osmotyczne. Zjawisko to znalazło zastosowanie w chemicznych i fizycznych metodach rozdzielania substancji.
Systemy biologiczne
W tym przypadku można rozważyć modele dyfuzji na przykładzie tlenu z powietrza przedostającego się do płuc, wchłaniania produktów trawiennych z jelita do krwi, wchłaniania składników mineralnych przez włośniki. Dyfuzja jonów zachodzi podczas generowania impulsów bioelektrycznych przez komórki mięśniowe i nerwowe.
Czynnik fizyczny, który wpływaselektywność akumulacji w komórkach organizmu niektórych pierwiastków, to różna szybkość przenikania jonów przez błony komórkowe. Proces ten można wyrazić prawem Ficka, zastępując wartość współczynnika dyfuzji przepuszczalnością membrany i zamiast gradientu stężenia zastosować różnicę wartości po obu stronach membrany. Wraz z dyfuzyjną penetracją wody i gazów do komórki zmieniają się wskaźniki ciśnienia osmotycznego na zewnątrz i wewnątrz komórki.
Analizując, od czego zależy dyfuzja, zauważamy, że istnieje kilka rodzajów tego procesu. Prosta forma związana jest ze swobodnym przenoszeniem jonów i cząsteczek w kierunku gradientu ich potencjału elektrochemicznego. Na przykład ta opcja jest odpowiednia dla tych substancji, w których cząsteczki mają małe rozmiary, na przykład alkoholu metylowego, wody.
Wariant limitowany zakłada słaby transfer materii. Na przykład nawet małe cząsteczki nie mogą przeniknąć do komórki.
Strony historii
Dyfuzja została odkryta w okresie rozkwitu kultury starożytnej Grecji. Demokryt i Anaksogoras byli przekonani, że każda substancja składa się z atomów. Różnorodność powszechnych w przyrodzie substancji wyjaśniali powiązaniami między poszczególnymi atomami. Założyli, że te cząstki mogą się mieszać, tworząc nowe substancje. Wśród twórców teorii kinetyki molekularnej, która wyjaśniała mechanizm dyfuzji, szczególną rolę odegrał Michaił Łomonosow. Podali definicję cząsteczki, atomu i wyjaśnili mechanizm rozpuszczania.
Eksperymenty
Doświadczenie z cukrem pozwala zrozumieć wszystkie cechy dyfuzji. Jeśli włożysz kawałek cukru do zimnej herbaty, na dnie filiżanki stopniowo utworzy się gęsty syrop. Jest widoczny gołym okiem. Po pewnym czasie syrop zostanie równomiernie rozprowadzony w całej objętości płynu i nie będzie już widoczny. Proces ten przebiega samoistnie i nie wymaga mieszania składników roztworu. Podobnie zapach perfum rozchodzi się po całym pomieszczeniu.
Powyższe eksperymenty pokazują, że dyfuzja jest spontanicznym procesem przenikania cząsteczek jednej substancji do drugiej. Rozprzestrzenianie się materii następuje we wszystkich kierunkach, pomimo grawitacji. Taki proces jest bezpośrednim potwierdzeniem stałego ruchu cząsteczek materii.
Tak więc w powyższym przykładzie przeprowadzana jest dyfuzja cząsteczek cukru i wody, której towarzyszy równomierny rozkład cząsteczek materii organicznej w całej objętości cieczy.
Eksperymenty umożliwiają wykrycie dyfuzji nie tylko w cieczach, ale także w substancjach gazowych. Na przykład na wadze można zainstalować pojemnik z oparami eteru. Stopniowo filiżanki dojdą do równowagi, potem szklanka eteru będzie cięższa. Jaka jest przyczyna tego zjawiska?
Z czasem cząsteczki eteru mieszają się z cząsteczkami powietrza, a w pomieszczeniu zaczyna czuć specyficzny zapach. Na kursie fizyki w szkole średniej rozważany jest eksperyment, w którym nauczyciel rozpuszcza ziarno nadmanganianu potasu (nadmanganianu potasu) w wodzie. Na początku widoczna jest wyraźna trajektoria ruchu ziarna,ale stopniowo całe rozwiązanie nabiera jednolitego odcienia. Na podstawie eksperymentu nauczyciel wyjaśnia cechy dyfuzji.
Aby zidentyfikować czynniki, które wpływają na szybkość procesu w cieczach, możesz użyć wody o różnych temperaturach. W gorącej cieczy proces wzajemnego mieszania się cząsteczek obserwuje się znacznie szybciej, dlatego istnieje bezpośrednia zależność między wartością temperatury a szybkością dyfuzji.
Wniosek
Eksperymenty prowadzone z gazami, cieczami i ciałami stałymi umożliwiają formułowanie praw fizyki, ustalanie zależności między poszczególnymi wielkościami.
W wyniku eksperymentów ustalono mechanizm wzajemnego przenikania się cząstek jednej substancji w drugą, udowodniono chaotyczny charakter ich ruchu. Empirycznie stwierdzono, że dyfuzja zachodzi najszybciej w substancjach gazowych. Proces ten ma ogromne znaczenie dla dzikiej przyrody, jest wykorzystywany w nauce i technologii.
Dzięki temu zjawisku zachowany jest jednorodny skład ziemskiej atmosfery. W przeciwnym razie zaobserwowano by rozwarstwienie troposfery na oddzielne substancje gazowe, a ciężki dwutlenek węgla, nienadający się do oddychania, znajdowałby się najbliżej powierzchni naszej planety. Do czego to doprowadzi? Dzika przyroda po prostu przestałaby istnieć.
Rola dyfuzji w świecie roślin jest również świetna. Bujną koronę drzew można wytłumaczyć wymianą dyfuzyjną przez powierzchnię liści. W rezultacie przeprowadzane jest nie tylko oddychanie, ale także odżywianie drzewa. Obecnie w rolnictwieStosowane jest dokarmianie dolistne krzewów i drzew, które polega na spryskiwaniu korony specjalnymi związkami chemicznymi.
To właśnie podczas dyfuzji roślina otrzymuje składniki odżywcze z gleby. Z tym zjawiskiem związane są również procesy fizjologiczne zachodzące w organizmach żywych. Na przykład równowaga soli jest niemożliwa bez dyfuzji. Takie procesy mają ogromne znaczenie w zaopatrywaniu jezior i rzek w tlen. Gaz wnika w głąb zbiornika dokładnie poprzez dyfuzję. Gdyby takiego procesu nie było, życie w zbiorniku przestałoby istnieć.
Przyjmowanie leków, które pozwalają chronić się przed patogenami różnych chorób i poprawiają samopoczucie, również opiera się na dyfuzji. Zjawisko to wykorzystywane jest przy spawaniu metali, produkcji soku cukrowego z chipsów buraczanych oraz przygotowaniu wyrobów cukierniczych. Trudno znaleźć taką gałąź nowoczesnego przemysłu, w której nie stosuje się dyfuzji.
