Näited difusioonist erinevates agregatsiooniseisundites. Alustage teadusest
DIFUSION (ladinakeelsest sõnast diffusio - levimine, levimine, hajumine), osakeste kõige tõenäolisema ruumilise jaotuse kindlakstegemise protsess nende kaootilisel liikumisel gaasides, vedelikes ja tahketes ainetes. Difusioon on nähtuste edasikandumise erijuht.
Kahest või enamast komponendist koosnevas termodünaamiliselt tasakaalus keskkonnas viib difusioon välismõjude puudumisel iga komponendi osakeste kontsentratsioonide ühtlustumiseni kogu keskkonna ruumala ulatuses. Difusiooniaine madala kontsentratsiooniga binaarses segus on osakeste difusioonivoo J tihedus seotud nende kontsentratsiooni gradiendiga ∇n seosega: J = ‒D∇n (Ficki 1. seadus, vt Ficki seadused ), kus D on difusioonikoefitsient. Sel juhul kirjeldatakse kontsentratsiooni muutumist ajas t ja ruumis difusiooni kaudu koordinaatidest sõltumatu väärtusega D difusioonivõrrandiga:
∂n/∂t = D∆n (1)
(Ficki 2. seadus). Kui difundeeruvad osakesed võivad sündida või surra, siis võrrandi (1) paremale poolele lisatakse vastavad allikad või neeldajad, näiteks keemiliste reaktsioonide kontsentratsiooni muutumise kiirus (∂n/∂t) kemikaal. Difusiooni ja keemiliste reaktsioonide kombinatsioon iseloomustab paljusid põlemisprotsesse ja leegi rinde levikut. Neutronite difusioon koos nende tootmise ja neeldumisega on üks peamisi protsesse, mis toimuvad tuumareaktori südamikus ja ümbritsevas kiirguskaitses.
Difusiooni mikroskoopiline alus on iga üksiku osakese difusiooniline liikumine (juhuslik kõnd). Selline liikumine ei peatu isegi J = 0 juures. Osakese igasugune algne liikumine tasakaalukeskkonnas muutub aja jooksul soojusliikumiseks. Hajuv osake, mis liigub ja muudab kokkupõrke tagajärjel korduvalt liikumissuunda (hajub keskkonna molekulidel), eemaldub ajas t oma algasendist kaugusele, mille keskmine ruut suurel hulgal trajektooridel on võrdne 6Dt. Veelgi enam, igas suunas, näiteks piki x-telge, on läbitud vahemaa keskmine ruut võrdne 2Dt-ga. Gaasi puhul D ≈ lv/3, kus l on osakese keskmine vaba tee, v on selle keskmine termiline kiirus. Koefitsient D, nagu ka keskmine vaba tee l, on pöördvõrdeline gaasi tihedusega. Normaaltihedusega gaasis on l umbes 10 -4 -10 -5 cm Aatomite ja molekulide (v.a vesinik ja heelium) soojuskiirused on tavatingimustes (temperatuuril umbes 0 °C) kümnendikke km/s ). Järelikult on selliste gaaside puhul tavatingimustes D suurusjärgus 0,1-1 cm 2 /s. Vedelikus koosneb osakese difusiooniliikumine episoodilistest liikumistest kaugustes, mis on suurusjärgus molekuli suurus, ja väikestest võnkumistest ajutiste tasakaaluasendite ümber. Selliseks kõikumiseks kuluva aja tõttu on difusioonikoefitsiendid vedelikes palju väiksemad kui gaasides.
Tahkes aines takistab difusiooni lisaks kristallvõre moodustavate keskkonna aatomite fikseeritud asend. Difusioonimehhanismid tahkes aines võivad olla: kohtade vahetus lisandiosakese ja lähedalasuva vaba koha (augu) või keskkonna naaberaatomiga, osakese liikumine mööda vahesid ja keerulisemad kollektiivsed liikumised. Sellised protsessid hõlmavad oluliste võimalike takistuste ületamist. Seetõttu sõltub difusioonikoefitsient tahkis tugevalt (eksponentsiaalselt) temperatuurist. (See vähem kvantitatiivselt väljendatud muster on iseloomulik ka vedelikele.) Näide aeglasest difusioonist tahkes aines: metallsilindrites hoitakse gaase isegi kõrgel rõhul aastaid ilma märkimisväärse lekketa. Madalatel temperatuuridel kondenseerunud keskkonnas võib difusiooni määravaks mehhanismiks olla aatomite kvantdifusioon (tunneldamine).
Difusiooni iseloomulik omadus on terava piiri (front) puudumine, mis eraldaks difusioonipilve keskkonnast, milles see levib. Algsel ajahetkel kunstlikult seatud piir, näiteks kui kest eemaldatakse koheselt vette pandud värvainetilgalt, erodeerub kiiresti. Selle sfääri raadiuse ruut, milles suurem osa värvainest asub, suureneb proportsionaalselt ajaga. Vastavalt väheneb raadiuse kasvutempo kui t -1/2. Sarnane muster on iseloomulik ka soojusülekande protsessile.
Osakese difusiooni "oma" keskkonnas, näiteks vee molekulis vees või alumiiniumi aatomis alumiiniummetallis, nimetatakse isedifusiooniks. Isedifusioonikoefitsienti mõõdetakse isotoopide indikaatorite meetodil, sisestades lokaalselt uuritava keskkonna aatomi (molekuli) radioaktiivset isotoopi ja jälgides selle ümberjaotumist ajas. Difusioonivoolu põhjuseks võib olla temperatuurigradient (termiline difusioon), elektriväli (elektrodifusioon), rõhugradient mikropoorses vaheseinas või gravitatsiooniväli (barodifusioon). Nendel juhtudel saavutatakse kontsentratsiooni tasakaal (difusioonivoolu puudumine) väärtusel ∇n ≠ 0, st kontsentratsioonide ruumiliselt ebahomogeense jaotusega. Plasmas toimub laetud osakeste difusioon Debye sõelumisraadiusest suuremate vahemaade tagant ilma plasma kvaasineutraalsust rikkumata (ambipolaarne difusioon).
Lisaks osakeste difusioonile ruumis käsitletakse üldistatult ka kvaasiosakeste, energia, impulsi jms difusiooni. faasiruumis.
Difusioon mängib olulist (sageli otsustavat) rolli paljudes loodusnähtustes ja tehnoloogilistes protsessides.
Lit.: Groot S. de, Mazur P. Mittetasakaalu termodünaamika. M., 1964; Haase R. Pöördumatute protsesside termodünaamika. M., 1967; Grey P. Lihtvedelike füüsika. M., 1971. 1. osa: Statistiline teooria.
Difusioon(ladina keelest diffusio - levimine, levimine, hajumine), erineva iseloomuga osakeste ülekanne, mis on põhjustatud molekulide (aatomite) kaootilisest soojusliikumisest ühe- või mitmekomponendilises gaasilises või kondenseerunud keskkonnas. Selline ülekanne toimub osakeste kontsentratsiooni gradiendi olemasolul või puudumisel; viimasel juhul nimetatakse protsessi isedifusiooniks (vt allpool). Eristama difusioon kolloidosakesed (nn Browni difusioon), tahketes ainetes, molekulaarsetes, neutronites, pooljuhtide laengukandjates jne; osakeste ülekandel teatud kiirusel liikuvas keskkonnas (konvektiivne difusioon) cm. Massiülekanne, ülekandeprotsessid, O difusioon osakesed turbulentsetes vooludes, vt Turbulentne difusioon. Kõik määratud tüübid difusioon neid kirjeldavad samad fenomenoloogilised seosed.
Põhimõisted. Peamine omadus difusioon toimib difusioonivoo tihedusena J - aine kogus, mis kantakse ajaühikus läbi ülekandesuunaga risti oleva pinnaühiku. Kui keskkonnas, kus puuduvad temperatuuri, rõhu, elektripotentsiaali jms gradiendid, on kontsentratsioonigradient Koos(x, t), iseloomustades selle muutust pikkuseühiku kohta suunas X(ühemõõtmeline juhtum) korraga t, seejärel isotroopses statsionaarses keskkonnas
J = - D(dс/dx), (1)
Kus D- koefitsient difusioon(m2/s); Miinusmärk näitab voolu suunda suuremast kontsentratsioonist madalamale. Ajaruumiline kontsentratsiooni jaotus:
Võrrandeid (1) ja (2) nimetatakse Ficki esimeseks ja teiseks seaduseks. Kolmemõõtmeline difusioon [Koos (x, y, z; t)] kirjeldatakse võrranditega:
J = - D grad c (3)
kus J on difusioonivoo tiheduse vektor, grad on kontsentratsioonivälja gradient. Osakeste ülekandmine keskkonnas toimub nende juhuslike liikumiste jadana ning igaühe absoluutne suurus ja suund ei sõltu eelnevatest. Difusiooniliikumist iga osakese keskkonnas iseloomustab tavaliselt ruutkeskmise nihe L 2 lähteasendist aja jooksul t. Kolmemõõtmelise ruumi puhul kehtib Einsteini esimene seos: L 2 = GDt. Seega parameeter D iseloomustab keskkonna mõju osakestele.
Millal difusioon mitmekomponentsetes segudes rõhu- ja temperatuurigradientide puudumisel (isobaar-isotermiline difusioon) komponentide vastastikuse läbitungimise kirjeldamise lihtsustamiseks nende kontsentratsioonide gradientide olemasolul võetakse kasutusele nn vastastikused koefitsiendid. difusioon. Näiteks ühemõõtmelise jaoks difusioon kahekomponendilises süsteemis on ühe komponendi difusioonivoo avaldis järgmine:
Kus c 1 +
Koos 2 =
const, D 12 = D 21 - vastastikuse koefitsient difusioon mõlemad komponendid.
Söötme ebaühtlase kuumutamise tagajärjel temperatuurigradiendi mõjul toimub gaasi- või vedelsegude komponentide ülekandmine - termiline difusioon (lahustes - Soreti efekt). Kui süsteemi üksikute osade vahel hoitakse konstantset temperatuuride erinevust, siis termilise difusiooni tõttu tekivad segu mahus komponentide kontsentratsiooni gradiendid, mis käivitavad tavapärase difusioon. Viimane statsionaarses olekus (ainevoolu puudumisel) tasakaalustab termilist difusiooni ja süsteemis tekib komponentide kontsentratsioonide erinevus. See mõju on ühe isotoopide eraldamise meetodi, aga ka õlifraktsioonide termilise difusiooni eraldamise meetodi aluseks.
Kui süsteemile rakendatakse välist rõhugradienti või gravitatsioonivälja, tekib barodifusioon. Näited: väikeste hõljuvate osakeste difusioonsadestamine, kui nad põrkuvad gaasimolekulidega (vt Tolmu kogumine); baromembraani protsessid - pöördosmoos, mikro- ja ultrafiltratsioon (vt Membraanide eraldamise protsessid, Osmoos). Välise elektrivälja mõju süsteemile põhjustab laetud osakeste suunatud ülekande – elektrodifusiooni. Näited: elektromembraansed protsessid, näiteks elektrodialüüs – ioniseeritud ühendite eraldamine elektrivoolu mõjul ioonide selektiivse ülekande tõttu läbi ioonvahetusmembraanide; difusioon laengukandjad - juhtivuselektronide ja aukude liikumine nende kontsentratsiooni ebahomogeensuse tõttu pooljuhtides.
Matemaatiliselt on Ficki seadused sarnased Fourier' soojusvõrranditega. See analoogia põhineb mis tahes süsteemi erinevate osade vahel intensiivsete olekuparameetrite (kontsentratsioon, temperatuur, rõhk jne) ümberjaotamise pöördumatute protsesside üldistel seadustel, kuna see kaldub termodünaamilisele tasakaalule. Süsteemi väikeste kõrvalekallete korral kirjeldatakse neid mustreid füüsiliste voogude vaheliste lineaarsete suhetega. kogused ja termodünaamilised jõud, st parameetrite gradiendid, mis põhjustavad näidatud kõrvalekaldeid. Eelkõige saab teatud tüüpi osakeste difusioonivoogu lisaks igat tüüpi osakeste kontsentratsioonigradientidele sobivatel tingimustel määrata suuremal määral muude intensiivsete parameetrite ja välisjõudude gradientide abil. Üldiselt kirjeldatakse voogude ja jõudude vahelisi seoseid fenomenoloogiliste võrranditega. Näiteks elektriliselt neutraalse kahendgaasisüsteemi puhul temperatuurigradiendi olemasolul dТ/dх, rõhu gradient dр/dх ja elektriline gradient potentsiaal d j/ dx laetud osakeste difusioonivoo väljendus qiühemõõtmelisel juhul on see järgmine:
kus c on segu osakeste koguarv mahuühiku kohta; n i = c i/c- on seotud osakeste fraktsioon i-th komponent ( i= 1, 2); D p , D T - koefitsient. baro- ja termiline difusioon; m i = q i D/kТ(Nernst-Einsteini seos) - 1. komponendi osakeste liikuvus elektrilises. väli; k- Boltzmanni konstant; T - absoluutne temperatuur. Näiteks binaarses gaasisegus konstantsel rõhul ja välisjõudude puudumisel kogu difusioonivoog
Voolu puudumisel (J = 0) kontsentratsioonide jaotus leitakse valemiga:
kus k T = D T / D 12. Koefitsient D T sõltub suuresti molekulidevahelisest interaktsioonist, mistõttu selle uurimine võimaldab uurida molekulidevahelisi jõude erinevates keskkondades.
Samaaegselt mis tahes keskkonnas ebaühtlaselt jaotunud võõrainete (lisandite) osakeste difusiooniülekandega toimub isedifusioon - keskkonna enda osakeste juhuslik liikumine, mille keemiline koostis ei muutu. Seda protsessi, mida täheldatakse isegi siis, kui süsteemis puuduvad termodünaamilised jõud, kirjeldatakse Ficki võrranditega, milles D asendatakse parameetriga Dc, mida nimetatakse isedifusioonikoefitsiendiks. Isedifusiooniefektid võivad viia kahe sama aine jahvatatud proovi liitumiseni, pulbrite paagutamiseni, kui neid läbib elektrivool, kehade venitamist neile riputatud koormuse mõjul (materjalide difusioonlibisemine) jne. .
Vastastikuse difusiooni käigus tahkistes võib ühte tüüpi aatomite voog ületada teist tüüpi aatomite voolu vastupidises suunas, kui kompenseerimata vabade kohtade (ja võimalik, et ka kompenseerimata aatomite) jaoks on vajujaid. Sel juhul tekivad kristalli poorid, mis põhjustavad kristallvõre kui mehaanilise süsteemi stabiilsuse rikkumist ja selle tulemusena kristallitasandite kui terviku nihkumist (Kirkindahli efekt). Eelkõige täheldatakse kahekomponentsete metallsüsteemide vastastikuse difusiooni ajal "inertsete" markerite liikumist, näiteks difusioonitsooni sisestatud õhukesed Mo- või W-st valmistatud tulekindlad traadid, mille läbimõõt on mitu mikronit.
Difusioonimassi ülekande kiirust erinevates ainetes või materjalides iseloomustatakse mõnikord mugavalt nende läbilaskvuskonstandiga P = Dg, kus g on Henry konstant, mis määrab ülekantud komponendi tasakaalulise lahustuvuse. Täpsemalt on gaasimolekulide statsionaarse voolu avaldis, mis difundeerub läbi jagava vaheseina (membraani) paksusega d järgmisel kujul: J = ПgDр/d, kus Dр on gaasisegu eraldatud komponentide osarõhkude erinevus. vaheseina mõlemad pooled.
Koefitsiendid difusioon erinevad oluliselt difusiooniprotsesside puhul gaasilises ja kondenseerunud (vedelas ja tahkes) keskkonnas: osakeste kiireim ülekanne toimub gaasides ( D umbes 10 - 4 m 2 / s normaalsel temperatuuril ja rõhul), aeglasem vedelikes (umbes 10 - 9), veelgi aeglasem tahketes ainetes (umbes 10 - 12). Illustreerime neid järeldusi molekulaarsete näidete abil difusioon.
Difusioon gaasilises keskkonnas. Hindadeks D osakeste iseloomuliku (keskmise) nihkena võetakse molekulide vaba teekonda l = u t, kus Ja ja t on osakeste keskmine liikumiskiirus ja aeg nende kokkupõrgete vahel. Einsteini esimese suhte järgi D~ l 2 t -1 ; täpsemalt D= 1/3 lu. Koefitsient difusioon pöördvõrdeline rõhuga R gaas, sest l ~ 1/R; temperatuuri tõusuga T(konstantse mahu korral) D suureneb võrdeliselt T 1/2-ga, sest; gaasi molaarmassi suurenemisega D väheneb. Gaaside kineetilise teooria järgi on vastastikused koefitsiendid difusioon gaasid A Ja IN kahekomponentses segus (tabel 1)
Kus R - kogu rõhk süsteemis, t A Ja t B - gaasimassid, s A ja s B on Lennard-Jonesi potentsiaali parameetrid (vt näiteks Absorptsioon).
Suur praktiline huvi pakub gaaside ülekandumist tahkete ainete pooride kaudu. Suhteliselt madala gaasirõhu või pooride suuruse (r 0) korral, kui gaasimolekulide kokkupõrgete sagedus pooride seintega ületab molekulide vastastikuse kokkupõrke sageduse, st nende keskmise vaba teekonna. l>> r 0 (tavarõhu jaoks r 0 juures< 10 - 7 м), наблюдается так называемая кнудсеновская difusioon. Sel juhul on gaasivool läbi poorse vaheseina võrdeline molekulide keskmise kiirusega ja gaasi läbilaskvuse konstant määratakse võrrandist:
kus N s on vaheseina pooride pinnatihedus. Kuna molekulide keskmine kiirus on pöördvõrdeline nende masside ruutjuurega, tungivad eraldunud gaasisegu komponendid läbi membraani pooride erineva kiirusega; Selle tulemusena on vaheseina läbiv segu rikastatud kergemate komponentidega. Gaasi rõhu suurenemisega sellistes poorsetes süsteemides suureneb pooride seintele adsorbeerunud molekulide pinnakontsentratsioon. Tekkiv adsorptsioonikiht võib olla liikuv ja liikuda piki poori pinda, mille tulemusena on paralleelselt mahulise difusiooniülekandega võimalik selles pinnatransport. difusioon gaas Viimasel on mõnikord märkimisväärne mõju keemiliste transformatsioonide kineetikale, põhjustades süsteemis interakteeruvate reaktiivide mittetasakaalulist jaotust.
Difusioon kondenseerunud aines. Vedelates ja tahketes ainetes difusioon viiakse läbi osakeste hüpetega ühest stabiilsest asendist teise, nendevaheline kaugus on molekulidevahelise suurusjärgu. Sellised hüpped nõuavad iga osakese lähikeskkonna lokaalset ümberkorraldamist (ümberkorralduse tõenäosust iseloomustab aktiveerimise entroopia D S) ja teatud koguse soojusenergia juhuslikku kogunemist selles piirkonnas E D(aktiveerimisenergia difusioon). Pärast hüpet leiab iga osake end uuest energeetiliselt soodsast positsioonist ning vabanenud energia hajub keskkonnas. Kus D= D 0 exp(- E D/RT), kus D 0 = n*exp (DS/R) on entroopia tegur, mis sõltub keskkonna molekulide "soojusšokkide" sagedusest (n ~ 10 12 s - 1), R- gaasikonstant. Osakeste difusiooniliikumise vedelikus määravad selle viskoossusomadused, osakeste suurused ja seda iseloomustab nende nn liikuvus (~ D/kT kus D ~ kT(Einsteini teine seos). Parameeter (- proportsionaalsuskoefitsient osakeste kiiruse ja liikumapaneva jõu vahel F statsionaarse liikumise ajal koos hõõrdumisega ( Ja= (F). Näiteks sfääriliselt sümmeetriliste osakeste puhul raadiusega r, mille puhul (= 1/6prh(T), kehtib Stokes-Einsteini võrrand: D = kT/6prh(T), kus h(T) on keskkonna dünaamilise viskoossuse koefitsient temperatuuri funktsioonina. Edendamine D vedelike temperatuuri tõus on seletatav nende molekulide pakkimistiheduse vähenemisega ("struktuuri lõdvenemine") kuumutamisel ja sellest tulenevalt osakeste hüpete arvu suurenemisega ajaühikus. Koefitsient difusioon erinevad ained vedelikes on toodud tabelis. 2 ja 3; iseloomulikud väärtused E D~ 20-40 kJ/mol.
Koefitsient difusioon tahketes orgaanilistes kehades on märkimisväärne hajumine, saavutades mõnel juhul väärtused, mis on võrreldavad vedelike vastavate parameetritega. Suurimat huvi pakub difusioon gaasid polümeerides. Koefitsiendid difusioon neis (tabel 4) sõltuvad difundeeruvate molekulide suurusest, nende interaktsiooni omadustest makromolekulide fragmentidega, polümeeri ahelate liikuvusest, polümeeri vabast mahust (tegeliku ruumala ja tihedalt kogumahu erinevusest). pakitud molekulid) ja selle struktuuri heterogeensus.
Kõrged väärtused D polümeeride klaasistumistemperatuurist kõrgematel temperatuuridel on tingitud makromolekulide fragmentide suurest liikuvusest nendes tingimustes, mis põhjustab vaba ruumala ümberjaotumist ja vastavalt DS suurenemist ja vähenemist. E D. Klaasistumistemperatuurist madalamal temperatuuril koefitsiendid difusioon on reeglina väiksemad väärtused. Kell difusioon polümeersete vedelike väärtustes D võib nende plastifitseeriva toime tõttu sõltuda lahustunud komponentide kontsentratsioonist. Koefitsiendid difusioon Ioonivahetusvaikudes olevad ioonid on suuresti määratud nende niiskusesisaldusega (keskmine arv P veemolekulid ionogeense rühma kohta). Suure niiskusesisaldusega ( p> 15) koefitsiendid difusioon võrreldav vastavaga D elektrolüütide ioonide jaoks (vt tabeleid 5 ja 3). Kell P< 10 koefitsienti difusioon väheneb plahvatuslikult koos vähenemisega P.
Tahketes anorgaanilistes kehades, kus kristallvõre aatomite vaba ruumala osa ja vibratsiooni amplituud on ebaolulised, difusioon on põhjustatud nende struktuuris esinevatest häiretest (vt Kristallide defektid), mis tekivad valmistamisel, kuumutamisel, deformatsioonil ja muudel mõjudel. Sel juhul saab rakendada mitut mehhanismi difusioon: aatomite kohtade vahetus ja kahe naaberaatomi kohtade vahetus, mitme aatomi samaaegne tsükliline liikumine, nende liikumine mööda vahekohti jne Esimene mehhanism valitseb näiteks asendustahkete lahuste moodustamisel, viimane - interstitsiaalne tahke aine lahendusi. Difusiooniprotsessid toimuvad märgatava kiirusega ainult kõrgetel temperatuuridel. Näiteks nagu tabelist järeldub. 6, koefitsiendid difusioon Kui temperatuur tõuseb 20-lt 300 °C-le, suureneb O 2 CaO-s ja Cr 2 O 3-s vastavalt 2 10 10 ja 3 10 39 korda. Massiülekande ajal polükristalliliste kehade lineaarsete dislokatsioonide piirkonnas ja piki pinnadefekte (terapiire) D suurendada 4-5 suurusjärku.
Koefitsientide määramiseks difusioon arvutatud andmeid (hajuvate osakeste kontsentratsiooniprofiilid ja vood, sorptsiooni-desorptsiooni mustrid) võrreldakse eksperimentaalsete andmetega. Viimaseid leitakse erinevate füüsikalis-keemiliste meetodite abil: isotoopide indikaatorid, röntgeni mikroanalüüs, gravimeetria, massispektromeetria, optiline (refraktomeetria, IR-spektroskoopia) jne.
Arvukate füüsikanähtuste hulgas on difusiooniprotsess üks lihtsamaid ja arusaadavamaid. Lõppude lõpuks on inimesel igal hommikul aromaatset teed või kohvi valmistades võimalus seda reaktsiooni praktikas jälgida. Tutvume selle protsessi ja selle toimumise tingimustega erinevates liitmisolekutes lähemalt.
Mis on difusioon
See sõna viitab ühe aine molekulide või aatomite tungimisele teise aine sarnaste struktuuriüksuste vahele. Sel juhul võrdsustub läbistavate ühendite kontsentratsioon.
Seda protsessi kirjeldas esmakordselt üksikasjalikult saksa teadlane Adolf Fick 1855. aastal.
Selle termini nimi tulenes ladinakeelsest sõnast diffusio (interaktsioon, hajumine, levik).
Difusioon vedelikus
Vaadeldav protsess võib toimuda ainetega, mis on kõigis kolmes agregatsiooni olekus: gaasiline, vedel ja tahke. Selle praktiliste näidete leidmiseks vaadake lihtsalt kööki.
Pliidil podisev borš on üks neist. Temperatuuri mõjul reageerivad glükosiinbetaniini (aine, mis annab peedile nii rikkaliku helepunase värvuse) molekulid ühtlaselt veemolekulidega, andes sellele ainulaadse Burgundia tooni. See juhtum on vedelikes.
Lisaks boršile on seda protsessi näha ka tee- või kohviklaasis. Mõlemal joogil on selline ühtlane, rikkalik toon, mis tuleneb asjaolust, et vees lahustuv kohvijook või osakesed jaotuvad molekulide vahel ühtlaselt, värvides seda. Kõigi üheksakümnendate populaarsete lahustuvate jookide tegevus põhineb samal põhimõttel: Yupi, Invite, Zuko.
Gaaside läbitungimine
Lõhna kandvad aatomid ja molekulid on aktiivses liikumises ning segunevad selle tulemusena juba õhus sisalduvate osakestega ning on ruumis üsna ühtlaselt hajutatud.
See on gaaside difusiooni ilming. Väärib märkimist, et vaadeldava protsessiga on seotud ka õhu sissehingamine ise, nagu ka värskelt valmistatud borši isuäratav lõhn köögis.
Difusioon tahkistes
Köögilaud, millel on lilled, on kaetud erekollase laudlinaga. See sai sarnase varjundi tänu difusioonivõimele tahkestes ainetes.
Lõuendile ühtlase varjundi andmise protsess toimub mitmes etapis järgmiselt.
- Kollase pigmendi osakesed hajusid värvipaagis kiulise materjali suunas.
- Seejärel neeldusid need värvitava kanga välispinnaga.
- Järgmine samm oli värvi uuesti hajutamine, kuid seekord kanga kiududesse.
- Lõpuks fikseeris kangas pigmendiosakesed, muutes seeläbi värviliseks.
Gaaside difusioon metallides
Tavaliselt käsitleme sellest protsessist rääkides identses agregatsiooniolekus olevate ainete koostoimeid. Näiteks difusioon tahketes ainetes, tahked ained. Selle nähtuse tõestamiseks tehakse katse kahe teineteise vastu surutud metallplaadiga (kuld ja plii). Nende molekulide läbitungimine toimub üsna pikka aega (üks millimeeter viie aasta jooksul). Seda protsessi kasutatakse ebatavaliste ehete valmistamiseks.
Kuid erinevas agregatsiooniseisundis ühendid on samuti võimelised difundeeruma. Näiteks toimub gaaside difusioon tahketes ainetes.
Katsete käigus tõestati, et sarnane protsess toimub ka aatomi olekus. Selle aktiveerimiseks on reeglina vajalik temperatuuri ja rõhu oluline tõus.
Sellise gaasilise difusiooni näide tahkestes ainetes on vesiniku korrosioon. See avaldub olukordades, kus mõne keemilise reaktsiooni käigus kõrgete temperatuuride (200–650 kraadi Celsiuse järgi) mõjul tekkinud vesinikuaatomid (H2) tungivad metalli struktuursete osakeste vahele.
Tahketes ainetes võib lisaks vesinikule toimuda ka hapniku ja muude gaaside difusioon. See silmale nähtamatu protsess toob palju kahju, sest metallkonstruktsioonid võivad selle tõttu kokku kukkuda.
Vedelike difusioon metallides
Kuid mitte ainult gaasimolekulid ei suuda läbida tahkeid aineid, vaid ka vedelikke. Nagu vesiniku puhul, põhjustab see protsess enamasti korrosiooni (kui me räägime metallidest).
Klassikaline näide vedelike difusioonist tahketes ainetes on metallide korrosioon vee (H 2 O) või elektrolüütide lahuste mõjul. Enamiku jaoks on see protsess tuttavam roostetamise nime all. Erinevalt vesiniku korrosioonist kohtab seda praktikas palju sagedamini.
Tingimused difusiooni kiirendamiseks. Difusioonikoefitsient
Olles välja mõelnud, millistes ainetes võib kõnealune protsess toimuda, tasub teada saada selle toimumise tingimused.
Esiteks sõltub difusiooni kiirus sellest, millises agregatsiooniseisundis on interakteeruvad ained. Mida suurem on reaktsioon, seda aeglasem on selle kiirus.
Sellega seoses on difusioon vedelikes ja gaasides alati aktiivsem kui tahketes ainetes.
Näiteks kui visata vette kaaliumpermanganaadi KMnO 4 (kaaliumpermanganaadi) kristalle, annavad need mõne minutiga sellele kauni karmiinpunase värvi. Kui aga puistata jäätükile KMnO 4 kristalle ja panna see kõik sügavkülma, siis mitme tunni pärast ei suuda kaaliumpermanganaat külmunud H 2 O täielikult värvida.
Eelnevast näitest saame teha teise järelduse difusioonitingimuste kohta. Lisaks agregatsiooni olekule mõjutab temperatuur ka osakeste läbitungimise kiirust.
Vaadeldava protsessi sõltuvuse arvestamiseks sellest tasub õppida tundma sellist mõistet nagu difusioonikoefitsient. See on selle kiiruse kvantitatiivse tunnuse nimi.
Enamikus valemites on see tähistatud suure ladina tähega D ja SI-süsteemis mõõdetakse seda ruutmeetrites sekundis (m²/s), mõnikord sentimeetrites sekundis (cm 2 /m).
Difusioonikoefitsient võrdub aine kogusega, mis on hajutatud läbi pinnaühiku ajaühiku jooksul, eeldusel, et tiheduste erinevus mõlemal pinnal (mis asuvad ühiku pikkusega võrdsel kaugusel) on võrdne ühtsusega. D määravad kriteeriumid on aine omadused, milles osakeste hajumise protsess ise toimub, ja nende tüüp.
Koefitsiendi sõltuvust temperatuurist saab kirjeldada Arrheniuse võrrandi abil: D = D 0exp (-E/TR).
Vaadeldavas valemis on E minimaalne energia, mis on vajalik protsessi aktiveerimiseks; T - temperatuur (mõõdetakse kelvinites, mitte Celsiuse kraadides); R on ideaalsele gaasile iseloomulik gaasikonstant.
Lisaks kõigele eelnevale mõjutab difusioonikiirust tahketes ainetes ja vedelikes gaasides rõhk ja kiirgus (induktsioon või kõrgsagedus). Lisaks sõltub palju katalüütilise aine olemasolust, sageli toimib see osakeste aktiivse dispersiooni käivitajana.
Difusioonivõrrand
See nähtus on osalise diferentsiaalvõrrandi eritüüp.
Selle eesmärk on leida aine kontsentratsiooni sõltuvus ruumi suurusest ja koordinaatidest (milles see hajub), samuti ajast. Sel juhul iseloomustab antud koefitsient reaktsioonikeskkonna läbilaskvust.
Kõige sagedamini kirjutatakse difusioonivõrrand järgmiselt: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x.
Selles on φ (t ja r) hajutava aine tihedus punktis r ajahetkel t. D (φ, r) on üldistatud difusioonikoefitsient tiheduse φ juures punktis r.
∇ on vektori diferentsiaaloperaator, mille koordinaatkomponendid on osatuletised.
Kui difusioonikoefitsient sõltub tihedusest, on võrrand mittelineaarne. Kui mitte - lineaarne.
Arvestades difusiooni määratlust ja selle protsessi iseärasusi erinevates keskkondades, võib märkida, et sellel on nii positiivseid kui ka negatiivseid külgi.
Difusioon on (sõna otseses mõttes) hajumine, levimine, levimine. Füüsiliselt iseloomustab energia või aine ülekandmist kõrgelt kontsentreeritud alalt madala kontsentratsiooniga piirkonda. Levinuim difusiooniga kaasnev nähtus on gaaside molekulide (näiteks parfüümi aroomi levimisel õhu kaudu) või vedelike segunemine. Sama protsessi võib täheldada ka tahketel ainetel. Näiteks kui varda ots on elektriliselt laetud või kuumutatud, levib kuumus (või laeng) järk-järgult kuumalt alalt külmale. Pealegi, kui võtate metallist eseme, levib kuumus üsna kiiresti ja elektrivool levib koheselt. Kui varras on valmistatud sünteetilisest materjalist, toimub termiline levik aeglaselt ja elektriline levik veelgi aeglasemalt. Tahkete ainete difusioon toimub veelgi väiksema kiirusega.
Tuleb märkida, et seda terminit (nagu paljusid teisi) kasutatakse tänapäeval mitte ainult füüsikas.
On olemas näiteks selline mõiste nagu uuenduste levik. See on protsess, mille käigus innovatsioon edastatakse aja jooksul sidekanalite kaudu äriüksustele. Difusioon on antud juhul info levitamine, mille kiirus ja vorm sõltuvad kasutatavatest.Suur tähtsus on ka majandustegevusega tegelevate subjektide info tajumise omadustel, samuti nende võimel saadud informatsiooni praktiliselt rakendada. . Ühe korra juba õpitud ja teises valdkonnas rakendatud uuenduse levikuga suureneb tarbijate ja tootjate hulk uutes kohtades ja tingimustes. Protsessi järjepidevus kujundab turumajanduses uuenduste jaotumise piirid ja vormid.
Eksperdid märgivad, et majandustegevuse kontekstis on difusioonil tsükliline iseloom. Samas on kogu uuenduste juurutamise ja levitamise protsessi elluviimine jagatud kindlateks etappideks: fundamentaal- ja rakendusuuringud, arendus ja projekteerimine, ehitus, arendus, aga ka tööstuslik tootmine, turundus ja müük.
Kultuuride levik on mõiste, mida kasutatakse sotsiaalsfääris. Iseloomustab teatud tunnuste vastastikust tungimist ühest sotsiaalsest rühmast teise, kui need kokku puutuvad. Sel juhul ei pruugi difusioon jätta mingit jälge ühelegi interakteeruvale kultuurile. Siiski võib juhtuda, et see tungimine kutsub esile tugeva ja võrdse (või ühepoolse) mõju. Kanaliteks, mille kaudu difusioon toimub, on peamiselt turism, sõda, kaubandus, teaduskonverentsid, messid ja näitused, spetsialistide ja üliõpilaste vahetus.
Innovatsiooni levitamine sotsiaalsfääris võib toimuda kahes suunas: horisontaalselt või vertikaalselt.
Märgitakse horisontaalset tungimist (rühmadevahelist difusiooni) võrdse staatusega indiviidide ja rühmade vahel.
Vertikaalne difusioon toimub ebavõrdse staatusega subjektide vahel. Seda protsessi nimetatakse kihistumise difusiooniks.
Seda iseloomustab elanikkonna väljendunud sümboolne polariseerumine. Mitmete kultuuriekspertide hinnangul peetakse keskklassi tänapäeval elustiili ja stiili eeskujuks (nii ülem- kui ka alamklassi jaoks).
Toob ühiskonda nii positiivseid kui ka negatiivseid jooni. Seega tähendab kõrgete elumõtete levik kesk- ja (eriti) alamkihtidesse ühelt poolt rahva valgustumist ja demokratiseerumist. Teisalt võib kõrgkultuuri sel juhul tajuda primitiivselt ja vulgaarselt.
Kõik, mis meiega ja meie ümber toimub, äratab alati huvi. Üks huvitav protsess, millest paljud inimesed on huvitatud, on difusioon. Kui olete huvitatud sellest, mis on difusioon, on meie artikkel kasulik.
Mis on difusioon?
Difusioon on protsess, mille käigus segu liigub kõrge kontsentratsiooniga piirkonnast madala kontsentratsiooniga piirkonda. Selle põhjuseks on aatomite ja molekulide liikumine. Tavaliselt on põhjuseks kuumus, mille mõjul toimub kogu protsess. See lõpeb, kui kontsentratsioonigradient lõpeb.
Gaaside ja vedelike difusioon toimub kiiresti, mis ei kehti tahkete ainete puhul. See on igapäevaelus kergesti märgatav, sest vee soojendamine on palju kiirem kui plasti sulatamine. Võrdluseks – paljud segavad seda kaaliumpermanganaadiga, mis värvib vedeliku paari sekundiga. Aga plastiliiniga seda enam teha ei saa. Kui kaks plastiliinitükki on segatud, tuleb nende koostoimeks palju vaeva näha. See kinnitab veel kord, et difusioonikiirus võib olla erinev. Sünteetilised materjalid on nõrga difusiooni all ja metallmaterjalid on vastupidised.
Osakesed, mis on aines alati olemas, võivad hajuda. Sellele protsessile on vastuvõtlikud ka võõrained.
Kuidas tekitada difusiooni?
Difusiooni toimumiseks gaasides ja vedelikes tuleb rakendada Browni liikumist. See tähistab molekulide liikumist kõrgete temperatuuride mõjul.
Tahkete ainete difusiooni tekitamiseks saab kasutada difusioonipumpa. See sisaldab õli, mis kuumeneb ja tõuseb üles ning seejärel toimub pumpamine. Sel ajal liiguvad aurud jahutamiseks spetsiaalsete pumbakanalite kaudu üles ja langevad alla. Teel püüavad nad gaase ja võtavad need endaga kaasa. Aur kondenseerub ja voolab spetsiaalsesse anumasse. Kõik see võimaldab teil saavutada minimaalset survet.
Difusiooni tüübid
Difusioon võib olla:
- kolloidne;
- konvektiivne;
- kvant;
- rahutu.
Esimest tüüpi difusioon on protsess, mis toimub tahketes ainetes. Turbulentne on väikeste osakeste ülekandumine turbulentses voolus. Kvantdifusioon toimub seal, kus temperatuur on väga madal ja esineb kondenseerumine. Konvektiivne difusioon tekib siis, kui osakesed liiguvad keskkonnas, mis liigub samuti teatud kiirusega.
Sageli on võimalik jälgida, kuidas difusioon viitab nähtustele, mille käigus osakesi ei kanta. Näiteks optikas võib kohata kiirguse ülekande protsessi heterogeenses keskkonnas. Selle protsessiga peab kaasnema footonite neeldumine, mida nimetatakse difusiooniks.
Kus võib elus difusiooni näha?
Lihtsaim näide difusiooni toimimisest on meie hingamine. Hapnik siseneb meie kopsudesse, kui need avanevad, ja liigub seejärel verre. Difusiooni abil ei kogune süsihappegaas inimese ümber, vaid seguneb hapnikuga ja hajub ühtlaselt õhus. Seda protsessi võib täheldada ka teistes eluvaldkondades.
- Juhend 11 03 3210 u. Bukhvest.rf - sularahatehingud: uue protseduuri uurimine. Sularahatehingute dokumenteerimine
- Kas lihtsustatud maksusüsteemi kallal töötavad organisatsioonid maksavad kinnisvaramaksu? Kas lihtsustatud maksusüsteemi alusel võetakse kinnisvaramaksu?
- Kogunenud ja tasutud kindlustusmaksete tõend ja arvestus
- Majandustulemuste aruande vorm 2 Excelis