Mezi mnoho jevů ve fyzice, procesšíření je jedním z nejjednodušších a nejsrozumitelnějších. Koneckonců, každé ráno má člověk při přípravě voňavého čaje nebo kávy možnost pozorovat tuto reakci v praxi. Pojďme se dozvědět více o tomto procesu a podmínkách jeho výskytu v různých stavech agregace.
Toto slovo se týká penetrace molekul nebo atomů jedné látky mezi podobnými strukturními jednotkami jiné. V tomto případě je koncentrace penetračních sloučenin vyrovnána.
Poprvé byl tento proces podrobně popsán německým vědcem Adolfem Fickem v roce 1855.
Název tohoto termínu byl odvozen z latinského slovesa difusio substantiva (interakce, disperze, distribuce).
Uvažovaný proces může nastat u látek ve všech třech stavech agregace: plynné, kapalné a pevné. Chcete-li najít praktické příklady, stačí se podívat do kuchyně.
Варящийся на плите борщ – это один из них.Molekuly glukosin betaninu (látka, díky které má řepa tak bohatou šarlatovou barvu), pod vlivem teploty rovnoměrně reagují s molekulami vody, což mu dává jedinečný vínový odstín. Tento případ je příkladem difúze v kapalinách.
Kromě boršče je tento proces vidět i vsklenici čaje nebo kávy. Oba tyto nápoje mají tak jednotný nasycený odstín díky skutečnosti, že čajové lístky nebo kávové částice, rozpuštěné ve vodě, se rovnoměrně šíří mezi svými molekulami a zbarvují jej. Akce všech populárních instantních nápojů devadesátých let je založena na stejném principu: Yupi, Invite, Zuko.
Když se budete nadále dívat na projevy tohoto procesu v kuchyni, měli byste čichat a užívat si příjemnou vůni pocházející z kytice čerstvých květin na jídelním stole. Proč se to děje?
Atomy a molekuly, které nesou vůni, jsou v aktivním pohybu a v důsledku toho jsou smíchány s částicemi již obsaženými ve vzduchu a jsou poměrně rovnoměrně rozptýleny v objemu místnosti.
Toto je projev difúze v plynech. Stojí za povšimnutí, že samotná inhalace vzduchu také patří do uvažovaného procesu, stejně jako chutný pach čerstvě připraveného borše v kuchyni.
Kuchyňský stůl, na kterém stojí květiny, je zakrytý zářivě žlutým ubrusem. Obdržel podobný odstín kvůli schopnosti difúze procházet pevnými látkami.
Proces, jak dát plátnu nějaký jednotný odstín, probíhá v několika fázích následovně.
Obvykle, mluvit o tomto procesu, zvažteinterakce látek ve stejných agregovaných stavech. Například difúze v pevných látkách, pevných látkách. K prokázání tohoto jevu se provádí experiment se dvěma kovovými deskami přitlačenými k sobě (zlato a olovo). Interpenetrace jejich molekul trvá poměrně dlouho (jeden milimetr za pět let). Tento proces se používá k výrobě neobvyklých šperků.
Sloučeniny v různých stavech agregace jsou však také schopné difúze. Například dochází k difúzi plynů v pevných látkách.
Během experimentů bylo prokázáno, že podobný proces probíhá v atomovém stavu. K jeho aktivaci zpravidla potřebujete výrazné zvýšení teploty a tlaku.
Příkladem takové difúze plynu v pevných látkách je vodíková koroze. Projevuje se v situacích, kdy atomy vodíku (H2) pod vlivem vysokých teplot (od 200 do 650 stupňů Celsia) pronikají mezi strukturální částice kovu.
Kromě vodíku, difúze v pevných látkáchkyslík a další plyny se také mohou vyskytovat. Tento proces, neviditelný pro oko, přináší spoustu škod, protože kovové struktury se kvůli tomu mohou zhroutit.
Avšak pevné látky mohou pronikat nejen molekuly plynu, ale také kapaliny. Stejně jako v případě vodíku tento proces nejčastěji vede ke korozi (pokud mluvíme o kovech).
Po zjištění, v jakých látkách se daný proces může vyskytnout, stojí za to se dozvědět o podmínkách jeho průběhu.
Nejprve závisí rychlost difúzestavu agregace interagujících látek. Čím vyšší je hustota materiálu, ve kterém reakce probíhá, tím pomalejší je jeho rychlost.
V tomto ohledu bude difúze v kapalinách a plynech vždy probíhat aktivněji než v pevných látkách.
Například, pokud krystaly manganistanu draselného KMnO4 (manganistan draselný). hodil do vody, během několika minut jí dodají krásnou karmínovou barvu. Pokud však byly posypány krystaly KMnO4 kousek ledu a dát vše do mrazničky, po několika hodinách nebude manganistan draselný schopen plně zabarvit zmrazené N2O.
Z předchozího příkladu lze vyvodit další závěr o podmínkách difúze. Kromě stavu agregace ovlivňuje teplota také rychlost vzájemného pronikání částic.
Abychom vzali v úvahu závislost uvažovaného procesu na tom, stojí za to se naučit o konceptu, jako je difúzní koeficient. To je kvantitativní charakteristika jeho rychlosti.
Ve většině vzorců se uvádí pomocí velkého latinského písmene D a v systému SI se měří v metrech čtverečních za sekundu (m² / s), někdy v centimetrech za sekundu (cm)2/ m).
Difúzní koeficient se rovná množství látkyrozptýlené jednotkou povrchu v průběhu času za předpokladu, že rozdíl hustoty na obou površích (rozmístěný ve vzdálenosti jednotky délky) je roven jedné. Kritéria definující D jsou vlastnosti látky, ve které probíhá samotný proces rozptylu částic, a jejich typ.
Teplotní závislost koeficientu lze popsat pomocí Arrheniovy rovnice: D = D0exp(-E / TR).
V uvažovaném vzorci je E minimální energie potřebná k aktivaci procesu; T - teplota (měřeno Kelvinem, nikoli Celsiem); R je konstantní charakteristika plynu ideálního plynu.
Kromě výše uvedeného, rychlostídifúze v pevných látkách, kapaliny v plynech jsou ovlivněny tlakem a zářením (indukcí nebo vysokofrekvencí). Navíc hodně záleží na přítomnosti katalytické látky, často působí jako spouštěč pro zahájení aktivní disperze částic.
Tento jev je zvláštní formou parciální diferenciální rovnice.
Jeho cílem je najít závislost koncentracelátky na dimenzích a souřadnicích prostoru (ve kterém rozptyluje), jakož i času. Navíc daný koeficient charakterizuje propustnost média pro reakci.
Nejčastěji je difúzní rovnice psána následovně: ∂φ (r, t) / ∂t = ∇ x [D (φ, r) ∇ φ (r, t)].
V ní je φ (t a r) hustota rozptylové látky v bodě r během t. D (φ, r) je difúzně generalizovaný koeficient hustoty φ v bodě r.
∇ je vektorový diferenciální operátor, jehož komponenty vzhledem k souřadnicím patří k dílčím derivátům.
Když je difúzní koeficient závislý na hustotě, je rovnice nelineární. Pokud ne, lineární.
Po zvážení definice difúze a vlastností tohoto procesu v různých prostředích lze poznamenat, že má kladné i záporné stránky.
