Примери за дифузия в различни агрегатни състояния. Започнете в науката

ДИФУЗИЯ (от латински diffusio - разпространение, разпространение, диспергиране), процесът на установяване на най-вероятното пространствено разпределение на частиците по време на тяхното хаотично движение в газове, течности и твърди тела. Дифузията е частен случай на пренасяне на явления.

В термодинамично равновесна среда, състояща се от два или повече компонента, при липса на външни влияния, дифузията води до изравняване на концентрациите на частици от всеки компонент в целия обем на средата. В бинарна смес с ниска концентрация на дифузиращо вещество, плътността на дифузионния поток J на ​​частиците е свързана с градиента на тяхната концентрация ∇n чрез съотношението: J = ‒D∇n (1-ви закон на Фик, вижте законите на Фик ), където D е коефициентът на дифузия. В този случай промяната в концентрацията n във времето t и пространството чрез дифузия с независима от координатите стойност D се описва от уравнението на дифузията:

∂n/∂t = D∆n (1)

(2-ри закон на Фик). Ако дифузиращите частици могат да се раждат или умират, тогава съответните източници или поглътители се добавят към дясната страна на уравнение (1), например скоростта на промяна на концентрацията при химични реакции (∂n/∂t) химикал. Комбинацията от дифузия с химични реакции характеризира много процеси на горене и разпространение на фронта на пламъка. Дифузията на неутрони, заедно с тяхното производство и абсорбция, е един от основните процеси, протичащи в сърцевината на ядрен реактор и в околната радиационна защита.

Микроскопичната основа на дифузията е дифузионното движение (произволно ходене) на всяка отделна частица. Такова движение не спира дори при J = 0. Всяко първоначално движение на частица в равновесна среда се превръща с времето в топлинно движение. Дифундираща частица, движеща се и многократно променя посоката на движение в резултат на сблъсъци (разсейване върху молекули на средата), се отдалечава за време t от първоначалната си позиция на разстояние, чийто среден квадрат за голям брой траектории е равен на 6Dt. Освен това във всяка дадена посока, например по оста x, средният квадрат на изминатото разстояние е равен на 2Dt. В газ D ≈ lv/3, където l е средният свободен път на частица, v е нейната средна топлинна скорост. Коефициентът D, подобно на средния свободен път l, е обратно пропорционален на плътността на газа. В газ с нормална плътност l е около 10 -4 -10 -5 см. Топлинните скорости на атомите и молекулите (с изключение на водорода и хелия) са десети от km/s при нормални условия (при температура около 0 °C ). Съответно, за такива газове при нормални условия D е от порядъка на 0,1-1 cm 2 /s. В течност дифузионното движение на частица се състои от епизодични движения на разстояния от порядъка на размера на молекулата и малки колебания около временни равновесни позиции. Поради времето, необходимо за такива флуктуации, коефициентите на дифузия в течностите са много по-ниски, отколкото в газовете.

В твърдото вещество дифузията е допълнително затруднена от фиксираното положение на атомите на средата, които образуват кристалната решетка. Механизмите на дифузия в твърдо тяло могат да бъдат: размяна на места между примесна частица и близко свободно място (дупка) или със съседен атом на средата, движение на частица по междини и по-сложни колективни движения. Такива процеси включват преодоляване на значителни потенциални бариери. Следователно коефициентът на дифузия в твърдо тяло силно (експоненциално) зависи от температурата. (Този модел, изразен по-малко количествено, също е характерен за течности.) Пример за бавна дифузия в твърдо вещество: в метални цилиндри, дори при високо налягане, газовете се съхраняват години наред без значително изтичане. При ниски температури в кондензирана среда определящият механизъм на дифузия може да бъде квантовата дифузия (тунелиране) на атоми.

Характерно свойство на дифузията е липсата на рязка граница (фронт), отделяща дифузионния облак от средата, в която се разпространява. Граница, поставена изкуствено в началния момент от време, например, когато черупката се отстранява незабавно от капка багрило, поставена във вода, бързо се разрушава. Квадратът на радиуса на сферата, в която се намира по-голямата част от багрилото, нараства пропорционално на времето. Съответно скоростта на нарастване на радиуса намалява като t -1/2. Подобен модел е характерен за процеса на пренос на топлина.

Дифузията на частица в нейната „собствена“ среда, например водна молекула във вода или алуминиев атом в алуминиев метал, се нарича самодифузия. Коефициентът на самодифузия се измерва по метода на изотопните индикатори, като се въвежда локално радиоактивен изотоп на атом (молекула) от изследваната среда и се наблюдава неговото преразпределение във времето. Причината за дифузионния поток може да бъде температурен градиент (термична дифузия), електрическо поле (електродифузия), градиент на налягане в микропореста преграда или гравитационно поле (бародифузия). В тези случаи концентрационното равновесие (липса на дифузионен поток) се постига при ∇n ≠ 0, т.е. при пространствено нехомогенно разпределение на концентрациите. В плазмата дифузията на заредени частици на разстояния, по-големи от радиуса на екрана на Дебай, се извършва без да се нарушава квазинеутралността на плазмата (амбиполярна дифузия).

В допълнение към дифузията на частиците в пространството се разглежда в обобщен смисъл и дифузията на квазичастици, енергия, импулс и др. във фазовото пространство.

Дифузията играе важна (често решаваща) роля в много природни явления и технологични процеси.

Лит.: Groot S. de, Mazur P. Неравновесна термодинамика. М., 1964; Haase R. Термодинамика на необратими процеси. М., 1967; Грей П. Физика на прости течности. М., 1971. Част 1: Статистическа теория.

дифузия(от латински diffusio - разпространение, разпространение, разпръскване), пренасяне на частици от различно естество, причинено от хаотично топлинно движение на молекули (атоми) в едно- или многокомпонентни газови или кондензирани среди. Такъв трансфер се осъществява в присъствието или отсъствието на градиент на концентрация на частици; в последния случай процесът се нарича самодифузия (виж по-долу). Разграничете дифузияколоидни частици (т.нар. брауновски дифузия), в твърди тела, молекулни, неутрони, носители на заряд в полупроводници и др.; върху пренасянето на частици в среда, движеща се с определена скорост (конвективна дифузия) см. Пренос на маса, процеси на пренос,О дифузиячастици в турбулентни потоци, вж Турбулентна дифузия. Всички посочени видове дифузиясе описват от едни и същи феноменологични отношения.

Основни понятия.Основната характеристика дифузияслужи като плътност на дифузионния поток J - количеството вещество, пренесено за единица време през единица повърхност, перпендикулярна на посоката на пренасяне. Ако в среда, където няма градиенти на температура, налягане, електрически потенциал и т.н., има градиент на концентрация с(x, t), характеризираща неговата промяна на единица дължина в посоката х(едномерен случай) по време T, след това в изотропна среда в покой

J = - д(дс/dx), (1)

Където Д-коефициент дифузия(m 2 /s); Знакът минус показва посоката на потока от по-високи към по-ниски концентрации. Пространствено-времево разпределение на концентрацията:

Уравнения (1) и (2) се наричат ​​първи и втори закон на Фик. Триизмерен дифузия [с (x, y, z; T)] се описва с уравненията:

J = - дград ° С (3)

където J е векторът на плътността на дифузионния поток, grad е градиентът на концентрационното поле. Пренасянето на частици в среда се осъществява като последователност от техните произволни движения, като абсолютната величина и посока на всяко от тях не зависи от предходните. Дифузионното движение в средата на всяка частица обикновено се характеризира със средноквадратичното изместване L 2 от началната позиция за време t. За триизмерното пространство е валидна първата връзка на Айнщайн: L 2 = GDt. Така че параметърът дхарактеризира ефективността на въздействието на средата върху частиците.

Кога дифузияв многокомпонентни смеси при липса на градиенти на налягане и температура (изобарно-изотермични дифузия), за да се опрости описанието на взаимното проникване на компонентите при наличие на градиенти на техните концентрации, се въвеждат така наречените взаимни коефициенти дифузия. Например за едномерни дифузияв двукомпонентна система изразът за дифузионния поток на един от компонентите приема формата:

Където ° С 1 + с 2 = const, D 12 = D 21 - взаимен коефициент дифузиядвата компонента.

В резултат на неравномерно нагряване на средата под въздействието на температурен градиент се получава пренос на компоненти на газови или течни смеси - термична дифузия (в разтвори - ефектът на Soret). Ако се поддържа постоянна температурна разлика между отделните части на системата, тогава поради термична дифузия в обема на сместа се появяват градиенти на концентрацията на компонентите, което инициира обичайното дифузия. Последният в стационарно състояние (при липса на поток от материя) балансира термичната дифузия и в системата възниква разлика в концентрациите на компонентите. Това влияние е в основата на един от методите за разделяне на изотопи, както и термично дифузионно разделяне на нефтени фракции.

Когато външен градиент на налягане или гравитационно поле се приложи към система, възниква бародифузия. Примери: дифузионно отлагане на малки суспендирани частици, когато се сблъскат с газови молекули (вижте Събиране на прах); баромембранни процеси - обратна осмоза, микро- и ултрафилтрация (виж Процеси на мембранно разделяне, Осмоза). Действието на външно електрическо поле върху системата предизвиква насочен пренос на заредени частици - електродифузия. Примери: електромембранни процеси, например електродиализа - разделяне на йонизирани съединения под въздействието на електрически ток поради селективен пренос на йони през йонообменни мембрани; дифузияносители на заряд - движението на проводимите електрони и дупки поради нееднородности в концентрацията им в полупроводниците.

Математически законите на Фик са подобни на топлинните уравнения на Фурие. Тази аналогия се основава на общите закони на необратими процеси на преразпределение на интензивни параметри на състоянието (концентрация, температура, налягане и т.н.) между различни части на всяка система, тъй като тя се стреми към термодинамично равновесие. При малки отклонения на системата от него тези модели се описват чрез линейни зависимости между физическите потоци. величини и термодинамични сили, т.е. градиенти на параметри, причиняващи посочените отклонения. По-специално, дифузионният поток на частици от даден тип, в допълнение към градиентите на концентрация на частици от всеки тип, може при подходящи условия да се определя в по-голяма степен от градиенти на други интензивни параметри и външни сили. Като цяло връзката между потоци и сили се описва от феноменологични уравнения. Например, в случай на електрически неутрална бинарна газова система при наличие на температурен градиент dТ/dх,градиент на налягането dр/dхи електрически градиент потенциал д j/ dxизраз за дифузионния поток на заредени частици цив едномерния случай приема формата:

където c е общият брой частици на сместа на единица обем; n i = c i/° С-се отнася фракция на частиците аз-ти компонент ( аз= 1, 2); D p , D T - коеф. баро- и термична дифузия; m i = q i D/kТ(Съотношение на Нернст-Айнщайн) - подвижност на частиците от 1-вия компонент в ел. поле; к-константа на Болцман; T - абсолютна температура. Например, в бинарна газова смес при постоянно налягане и липса на външни сили, общият дифузионен поток

При липса на поток (J = 0) разпределението на концентрациите се намира по формулата:

където k T = D T /D 12. Коефициент Д Тзависи до голяма степен от междумолекулното взаимодействие, така че неговото изследване прави възможно изучаването на междумолекулните сили в различни среди.

Едновременно с дифузионния пренос на частици от чужди вещества (примеси), неравномерно разпределени във всяка среда, възниква самодифузия - произволно движение на частици от самата среда, чийто химичен състав не се променя. Този процес, наблюдаван дори при липса на термодинамични сили в системата, се описва от уравненията на Фик, в които дзаменен от параметъра Dc, наречен коефициент на самодифузия. Ефектите на самодифузия могат да доведат до сливане на две смлени проби от едно и също вещество, синтероване на прахове при преминаване на електрически ток през тях, разтягане на тела под въздействието на товар, окачен от тях (дифузионно пълзене на материали) и др. .

По време на взаимна дифузия в твърди тела потокът от атоми от един тип може да надвиши потока от атоми от друг тип, който върви в обратна посока, ако има поглътители за некомпенсирани свободни места (и вероятно за некомпенсирани атоми). В този случай в кристала се появяват пори, което води до нарушаване на стабилността на кристалната решетка като механична система и в резултат на това до изместване на кристалните равнини като цяло (ефектът на Киркиндал). По-специално, по време на взаимна дифузия в бинарни метални системи се наблюдава движение на „инертни“ маркери, например тънки огнеупорни проводници, направени от Mo или W с диаметър няколко микрона, въведени в зоната на дифузия.

Скоростта на дифузионен масов трансфер в различни вещества или материали понякога се характеризира удобно с тяхната константа на пропускливост P = Dg, където g е константата на Хенри, която определя равновесната разтворимост на прехвърления компонент. По-специално, изразът за стационарен поток от газови молекули, дифундиращи през разделителна преграда (мембрана) с дебелина d, има формата: J = ПgDр/d, където Dр е разликата в парциалните налягания на отделените компоненти на газовата смес върху двете страни на преградата.

Коефициенти дифузиясе различават значително за процесите на дифузия в газообразни и кондензирани (течни и твърди) среди: най-бързият трансфер на частици се извършва в газове ( доколо 10 - 4 m 2 / s при нормална температура и налягане), по-бавно в течности (около 10 - 9), още по-бавно в твърди вещества (около 10 - 12). Нека илюстрираме тези заключения, използвайки примери за молекулярни дифузия.

Дифузия в газообразни среди. За ставка дсвободният път на молекулите се приема като характерно (средно) изместване на частиците л = u t, където Ии t са средната скорост на движение на частиците и времето между техните сблъсъци. Според първото отношение на Айнщайн д~ л 2 t -1 ; по-точно д= 1/3 лу. Коефициент дифузияобратно пропорционална на налягането Ргаз, защото л ~ 1/Р; с повишаване на температурата T(при постоянен обем) D нараства пропорционално на T 1/2, защото; с увеличаване на моларната маса на газа днамалява. Според кинетичната теория на газовете коефициентите на взаимност дифузиягазове АИ INв бинарна смес (Таблица 1)

Където R -общо налягане в системата, т АИ t B -газови маси, s Аи s B са параметрите на потенциала на Ленард-Джоунс (виж, например, Абсорбция).

От голям практически интерес е преносът на газове през пори в твърди тела. При относително ниско налягане на газа или размер на порите (r 0), когато честотата на сблъсъците на газовите молекули със стените на порите надвишава честотата на взаимните сблъсъци на молекулите, т.е. техният среден свободен път л>> r 0 (за нормално налягане при r 0< 10 - 7 м), наблюдается так называемая кнудсеновская дифузия. В този случай газовият поток през порестата преграда е пропорционален на средната скорост на молекулите и константата на пропускливост на газ се определя от уравнението:

където N s е повърхностната плътност на порите в преградата. Тъй като средната скорост на молекулите е обратно пропорционална на корен квадратен от техните маси, компонентите на отделената газова смес проникват през порите на мембраната с различна скорост; В резултат сместа, преминаваща през преградата, се обогатява с по-леки компоненти. С увеличаване на налягането на газа в такива порести системи се увеличава повърхностната концентрация на молекули, адсорбирани върху стените на порите. Полученият адсорбционен слой може да бъде подвижен и да се движи по повърхността на порите, в резултат на което, успоредно с обемния дифузионен пренос, в него е възможен повърхностен транспорт. дифузиягаз Последният понякога има значителен ефект върху кинетиката на химичните трансформации, причинявайки неравновесно разпределение на взаимодействащите реагенти в системата.

Дифузия в кондензирана материя. В течности и твърди вещества дифузиясе осъществява чрез прескачане на частици от едно стабилно положение в друго, като разстоянието между тях е от порядъка на междумолекулно. Такива скокове изискват локално пренареждане на непосредствената среда на всяка частица (вероятността за пренареждане се характеризира с ентропията на активиране D С) и произволно натрупване на определено количество топлинна енергия в тази област Е Д(активираща енергия дифузия). След скока всяка частица се озовава в нова енергийно изгодна позиция, а освободената енергия се разсейва в средата. При което д= D 0 exp(- Е Д/RT), където D 0 = n*exp (DS/R) е коефициентът на ентропия, в зависимост от честотата на „топлинните удари“ на молекулите на средата (n ~ 10 12 s - 1), Р- газова константа. Дифузионното движение на частиците в течност се определя от нейните вискозитетни свойства, размерите на частиците и се характеризира с тяхната така наречена подвижност (~ д/kTкъдето д ~ kT(втората връзка на Айнщайн). Параметър (- коефициент на пропорционалност между скоростта на частиците и движещата сила Епо време на стационарно движение с триене ( И= (F). Например, в случай на сферично симетрични частици с радиус r, за които (= 1/6prh(T), уравнението на Стокс-Айнщайн е валидно: D = kT/6prh(T), където h(T) е коефициентът на динамичен вискозитет на средата като функция от температурата. Промоция дс повишаване на температурата в течностите се обяснява с намаляване на плътността на опаковката на техните молекули („разхлабване на структурата“) при нагряване и, като следствие, увеличаване на броя на скоковете на частиците за единица време. Коефициент дифузияразлични вещества в течности са дадени в табл. 2 и 3; характерни стойности Е Д~ 20-40 kJ/mol.

Коефициент дифузияв твърдите органични тела имат значително разсейване, достигайки в някои случаи стойности, сравними със съответните параметри в течности. Най-голям интерес представлява дифузиягазове в полимери. Коефициенти дифузияв тях (Таблица 4) зависят от размера на дифузиращите молекули, характеристиките на тяхното взаимодействие с фрагменти от макромолекули, подвижността на полимерните вериги, свободния обем на полимера (разликата между действителния обем и общия обем на плътността опаковани молекули) и хетерогенността на неговата структура.

Високи стойности дпри температури над температурата на встъкляване на полимерите се дължат на високата подвижност на фрагменти от макромолекули при тези условия, което води до преразпределение на свободния обем и съответно до увеличаване на DS и намаляване Е Д. При температури под температурата на встъкляване коефициентите дифузияимат по правило по-малки стойности. При дифузияв стойности на полимерни течности дможе да зависи от концентрацията на разтворените компоненти поради техния пластифициращ ефект. Коефициенти дифузияйоните в йонообменните смоли до голяма степен се определят от тяхното съдържание на влага (среден брой Пводни молекули на йоногенна група). С високо съдържание на влага ( p> 15) коефициенти дифузиясравними със съответните дза йони в електролити (вижте таблици 5 и 3). При П< 10 коеф дифузиянамалява експоненциално с намаляване П.

В твърди неорганични тела, където частта от свободния обем и амплитудата на вибрациите на атомите на кристалната решетка са незначителни, дифузиясе причинява от наличието на нарушения в структурата им (вижте Дефекти в кристалите), които възникват по време на производство, нагряване, деформация и други влияния. В този случай могат да се приложат няколко механизма дифузия: размяна на места на атоми и размяна на места на два съседни атома, едновременно циклично движение на няколко атома, тяхното движение по протежение на междинни пространства и др. Първият механизъм преобладава, например, при образуването на заместващи твърди разтвори, последният - интерстициално твърдо вещество решения. Процесите на дифузия протичат със забележима скорост само при високи температури. Например, както следва от табл. 6, коеф дифузияКогато температурата се повиши от 20 до 300 °C, O 2 в CaO и Cr 2 O 3 се увеличават съответно 2 10 10 и 3 10 39 пъти. По време на пренос на маса в областта на линейни дислокации и по протежение на повърхностни (граници на зърната) дефекти в поликристални тела днарастват с 4-5 порядъка.

За определяне на коефициентите дифузияизчислените данни (концентрационни профили и потоци на дифузиращи частици, сорбционно-десорбционни модели) се сравняват с експерименталните. Последните се откриват с помощта на различни физикохимични методи: изотопни индикатори, рентгенов микроанализ, гравиметрия, масспектрометрия, оптични (рефрактометрия, IR спектроскопия) и др.

Сред многобройните явления във физиката процесът на дифузия е един от най-простите и разбираеми. В крайна сметка, всяка сутрин, когато приготвяте ароматен чай или кафе, човек има възможност да наблюдава тази реакция на практика. Нека научим повече за този процес и условията за протичането му в различни агрегатни състояния.

Какво е дифузия

Тази дума се отнася до проникването на молекули или атоми на едно вещество между подобни структурни единици на друго. В този случай концентрацията на проникващите съединения се изравнява.

Този процес е описан за първи път подробно от немския учен Адолф Фик през 1855 г.

Името на този термин произлиза от латинското diffusio (взаимодействие, дисперсия, разпределение).

Дифузия в течност

Разглежданият процес може да се случи с вещества във всичките три агрегатни състояния: газообразно, течно и твърдо. За да намерите практически примери за това, просто погледнете в кухнята.

Боршът, който къкри на котлона, е един от тях. Под въздействието на температурата молекулите на глюкозинбетанин (веществото, което придава на цвеклото толкова наситен червен цвят) реагират равномерно с водните молекули, придавайки му уникален бургундски оттенък. Този случай е в течности.

Освен в борша, този процес може да се види и в чаша чай или кафе. И двете напитки имат такъв равномерен, наситен нюанс поради факта, че варенето или частиците кафе, разтварящи се във вода, се разпространяват равномерно между молекулите му, оцветявайки го. Действието на всички популярни разтворими напитки от деветдесетте се основава на същия принцип: Yupi, Invite, Zuko.

Взаимно проникване на газове

Атомите и молекулите, които носят миризми, са в активно движение и в резултат на това се смесват с частици, които вече се съдържат във въздуха и са сравнително равномерно разпръснати в стаята.

Това е проява на дифузия в газовете. Струва си да се отбележи, че самото вдишване на въздух също е свързано с разглеждания процес, както и апетитната миризма на прясно приготвен борш в кухнята.

Дифузия в твърди тела

Кухненската маса, върху която има цветя, е покрита с ярко жълта покривка. Той получи подобен нюанс поради способността на дифузия да се появи в твърди вещества.

Процесът на придаване на равномерен нюанс на платното се извършва на няколко етапа, както следва.

1. Частици от жълт пигмент се разпространяват в резервоара за багрило към влакнестия материал.
2. След това те се абсорбират от външната повърхност на тъканта, която се боядисва.
3. Следващата стъпка беше отново да се дифузира багрилото, но този път във влакната на тъканта.
4. Накрая тъканта фиксира частици пигмент, като по този начин се оцветява.

Дифузия на газове в метали

Обикновено, когато говорим за този процес, имаме предвид взаимодействията на вещества в идентични агрегатни състояния. Например дифузия в твърди тела, твърди вещества. За да се докаже това явление, се провежда експеримент с две метални пластини (златна и оловна), притиснати една към друга. Взаимното проникване на техните молекули става за доста дълго време (един милиметър на пет години). Този процес се използва за направата на необичайни бижута.

Въпреки това, съединения в различни състояния на агрегиране също са способни да дифундират. Например има дифузия на газове в твърди тела.

По време на експерименти беше доказано, че подобен процес се случва в атомно състояние. За да го активирате, като правило е необходимо значително повишаване на температурата и налягането.

Пример за такава газообразна дифузия в твърди вещества е водородната корозия. Проявява се в ситуации, когато водородни атоми (H2), генерирани по време на някаква химическа реакция под въздействието на високи температури (от 200 до 650 градуса по Целзий), проникват между структурните частици на метала.

В допълнение към водорода, дифузията на кислород и други газове също може да се случи в твърди вещества. Този процес, невидим за окото, носи много вреди, защото металните конструкции могат да се срутят поради него.

Дифузия на течности в метали

Въпреки това не само газовите молекули могат да проникнат в твърди вещества, но и в течности. Както в случая с водорода, най-често този процес води до корозия (ако говорим за метали).

Класически пример за течна дифузия в твърди вещества е корозията на металите под въздействието на вода (H 2 O) или електролитни разтвори. За повечето този процес е по-познат под името ръждясване. За разлика от водородната корозия, в практиката тя се среща много по-често.

Условия за ускоряване на дифузията. Коефициент на дифузия

След като разбрахме в какви вещества може да възникне въпросният процес, струва си да разберем за условията за неговото възникване.

На първо място, скоростта на дифузия зависи от агрегатното състояние, в което се намират взаимодействащите вещества. Колкото по-голяма е реакцията, толкова по-бавна е нейната скорост.

В това отношение дифузията в течности и газове винаги ще бъде по-активна, отколкото в твърди вещества.

Например, ако кристали от калиев перманганат KMnO 4 (калиев перманганат) се хвърлят във вода, те ще й придадат красив пурпурен цвят в рамките на няколко минути. Въпреки това, ако поръсите KMnO 4 кристали върху парче лед и го поставите във фризера, след няколко часа калиевият перманганат няма да може да оцвети напълно замразената H 2 O.

От предишния пример можем да направим друго заключение за условията на дифузия. В допълнение към състоянието на агрегация, температурата също влияе върху скоростта на взаимно проникване на частиците.

За да разгледаме зависимостта на разглеждания процес от него, си струва да научим за такова понятие като коефициента на дифузия. Това е името на количествената характеристика на неговата скорост.

В повечето формули се обозначава с главната латинска буква D, а в системата SI се измерва в квадратни метри в секунда (m²/s), понякога в сантиметри в секунда (cm 2 /m).

Коефициентът на дифузия е равен на количеството вещество, разпръснато през единица повърхност за единица време, при условие че разликата в плътностите на двете повърхности (разположени на разстояние, равно на единица дължина) е равна на единица. Критериите, които определят D, са свойствата на веществото, в което протича самият процес на дисперсия на частиците, и техният тип.

Зависимостта на коефициента от температурата може да се опише с помощта на уравнението на Арениус: D = D 0exp (-E/TR).

В разглежданата формула E е минималната енергия, необходима за активиране на процеса; T - температура (измерена в Келвин, а не в Целзий); R е газовата константа, характерна за идеален газ.

В допълнение към всичко по-горе, скоростта на дифузия в твърди вещества и течности в газове се влияе от налягане и радиация (индукция или висока честота). В допълнение, много зависи от наличието на каталитично вещество, често то действа като спусък за активна дисперсия на частици.

Уравнение на дифузия

Това явление е специален тип частично диференциално уравнение.

Целта му е да намери зависимостта на концентрацията на дадено вещество от размера и координатите на пространството (в което то дифундира), както и от времето. В този случай даденият коефициент характеризира пропускливостта на средата за реакцията.

Най-често уравнението на дифузията се записва по следния начин: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x.

В него φ (t и r) е плътността на разпръскващата материя в точка r в момент t. D (φ, r) е обобщеният коефициент на дифузия при плътност φ в точка r.

∇ е векторен диференциален оператор, чиито координатни компоненти са частни производни.

Когато коефициентът на дифузия зависи от плътността, уравнението е нелинейно. Когато не - линейно.

След като разгледахме определението за дифузия и характеристиките на този процес в различни среди, може да се отбележи, че той има както положителни, така и отрицателни страни.

Дифузията е (буквално) дисперсия, разпространение, разпространение. Физически характеризира процеса на пренос на енергия или материя от силно концентрирана зона към област с ниска концентрация. Най-често срещаното явление, свързано с дифузията, е смесването на молекули на газове (например, когато ароматът на парфюм се разпространява във въздуха) или течности. Същият процес може да се наблюдава при твърди вещества. Например, ако краят на пръта се зарежда електрически или се нагрява, топлината (или зарядът) постепенно ще се разпространи от горещата към студената зона. Освен това, ако вземете метален предмет, топлината ще се разпространи доста бързо и електрическият ток ще се разпространи моментално. Ако прътът е направен от синтетичен материал, топлинното разпространение ще протича бавно, а електрическото още по-бавно. Дифузията на твърди вещества се извършва с още по-ниска скорост.

Трябва да се отбележи, че този термин (както много други) се използва днес не само във физиката.

Има например такова понятие като разпространение на иновации. Това е процес, чрез който иновациите се предават във времето на бизнес субектите чрез комуникационни канали. В този случай дифузията е разпространение на информация, чиято скорост и форма зависят от използваните.Характеристиките на възприемането на информацията от субектите, извършващи икономическа дейност, както и способността им да прилагат на практика получената информация също са от голямо значение . С разпространението на иновация, която вече е овладяна веднъж и приложена в друга област, броят на потребителите и производителите се увеличава на нови места и условия. Непрекъснатостта на процеса оформя границите и формите на разпространение на иновациите в пазарната икономика.

Експертите отбелязват, че в контекста на икономическата активност дифузията има цикличен характер. В същото време изпълнението на целия процес на внедряване и разпространение на иновации е разделено на определени етапи: фундаментални и приложни изследвания, разработка и проектиране, изграждане, развитие, както и промишлено производство, маркетинг и продажби.

Културната дифузия е концепция, която се използва в социалната сфера. Характеризира процеса на взаимно проникване на определени черти от една социална група в друга, когато те влизат в контакт. В този случай дифузията може да не остави отпечатък върху нито една от взаимодействащите култури. Може обаче да се случи това проникване да предизвика силно и равно (или едностранно) влияние. Каналите, по които се осъществява разпространението, са предимно туризъм, война, търговия, научни конференции, панаири и изложби, обмен на специалисти и студенти.

Разпространението на иновациите в социалната сфера може да се осъществи в две посоки: хоризонтално и вертикално.

Отбелязва се хоризонтално проникване (междугрупова дифузия) между индивиди и групи с равен статус.

Вертикална дифузия възниква между субекти с неравен статус. Този процес се нарича стратификационна дифузия.

Характеризира се с подчертана символична поляризация на населението. Според редица културологи средната класа днес се счита за пример за начин на живот и стил (както за висшата, така и за долната класа).

Внася както положителни, така и отрицателни черти в обществото. Така разпространението на високи идеи за живота към средните и (особено) низшите слоеве означава, от една страна, просвещение и демократизация на народа. От друга страна, високата култура в този случай може да се възприема примитивно и вулгарно.

Всичко, което се случва с нас и около нас винаги предизвиква интерес. Един интересен процес, от който се интересуват много хора, е дифузията. Ако се интересувате от това какво е дифузия, тогава нашата статия ще бъде полезна.

Какво е дифузия?

Дифузията е процесът, при който сместа се движи от зона с висока концентрация към област с ниска концентрация. Причината за това е движението на атомите и молекулите. Обикновено причината е топлината, под въздействието на която протича целият процес. Той завършва, когато градиентът на концентрация приключи.

Дифузията на газовете и течностите става бързо, което не е така при твърдите вещества. Това лесно се забелязва в ежедневието, тъй като загряването на водата е много по-бързо от топенето на пластмаса. За сравнение, много хора го смесват с калиев перманганат, който оцветява течността за няколко секунди. Но вече не е възможно да направите това с пластилин. Ако се смесят две парчета пластилин, тогава, за да си взаимодействат, трябва да се положат много усилия. Това още веднъж потвърждава, че скоростта на дифузия може да бъде различна. Синтетичните материали са обект на слаба дифузия, а металните са обратното.

Частиците, които винаги присъстват в дадено вещество, могат да дифундират. Чуждите вещества също са податливи на този процес.

Как да предизвикаме дифузия?

За да възникне дифузия в газове и течности, трябва да се приложи Брауново движение. Представлява движението на молекулите под въздействието на високи температури.

Дифузионна помпа може да се използва за предизвикване на дифузия на твърди вещества. Съдържа масло, което се загрява и се издига, след което се извършва изпомпване. По това време парите преминават нагоре и се спускат надолу през специални канали на помпата за охлаждане. По пътя те улавят газове и ги отнасят със себе си. Парата кондензира и изтича в специален контейнер. Всичко това ви позволява да постигнете минимален натиск.

Видове дифузия

Дифузията може да бъде:

• колоиден;
• конвективен;
• квантова;
• бурен.

Първият тип дифузия е процес, който протича в твърди тела. Турбулентно е пренасянето на малки частици в турбулентен поток. Квантовата дифузия възниква, когато температурите са много ниски и има кондензация. Конвективната дифузия възниква, когато частиците се движат в среда, която също се движи с определена скорост.

Често е възможно да се наблюдава как дифузията се отнася до явления, по време на които частиците не се прехвърлят. Например в оптиката може да се срещне процесът на пренос на радиация в среда, която е хетерогенна. Този процес трябва да бъде придружен от поглъщане на фотони, което се нарича дифузия.

Къде можете да видите дифузия в живота?

Най-лесният пример за това как работи дифузията е нашето дишане. Кислородът навлиза в белите ни дробове, когато те се отворят, и след това се премества в кръвта. С помощта на дифузия въглеродният диоксид не се натрупва около човек, а се смесва с кислород и се разпръсква равномерно във въздуха. Този процес може да се наблюдава и в други сфери на живота.