Među mnogim fenomenima u fizici, procesdifuzija je jedna od najjednostavnijih i najrazumljivijih. Napokon, svako jutro, dok sebi priprema aromatični čaj ili kavu, osoba ima priliku promatrati ovu reakciju u praksi. Doznajmo više o ovom procesu i uvjetima za njegov tijek u različitim agregacijskim stanjima.
Ova se riječ odnosi na prodiranje molekula ili atoma jedne tvari između sličnih strukturnih jedinica druge. U tom se slučaju koncentracija prodirućih spojeva izravnava.
Taj je postupak prvi put detaljno opisao njemački znanstvenik Adolf Fick 1855. godine.
Ime ovog pojma nastalo je od latinske glagolske imenice diffusio (interakcija, širenje, distribucija).
Proces koji se razmatra može se dogoditi s tvarima u sva tri agregacijska stanja: plinovitom, tekućem i krutom. Da biste pronašli praktične primjere za to, samo pogledajte kuhinju.
Boršč ukuhan na štednjaku jedan je od njih.Pod utjecajem temperature, molekule glukozinbetanina (tvar zbog koje repa ima tako bogatu grimiznu boju) ravnomjerno reagiraju s molekulama vode, dajući joj jedinstvenu bordo nijansu. Ovaj slučaj je primjer difuzije u tekućinama.
Uz boršč, taj se postupak može vidjeti i učašu čaja ili kave. Oba ova pića imaju tako ujednačenu bogatu nijansu zbog činjenice da se čestice piva ili kave, otapajući se u vodi, ravnomjerno šire između svojih molekula, bojeći je. Akcija svih popularnih instant napitaka devedesetih izgrađena je na istom principu: Yupi, Invite, Zuko.
Nastavljajući dalje tražiti manifestacije dotičnog postupka u kuhinji, vrijedi njuškati i uživati u ugodnoj aromi koja proizlazi iz buketa svježeg cvijeća na blagovaonskom stolu. Zašto se to događa?
Atomi i molekule koji nose miris aktivno se kreću i kao rezultat toga miješaju se s česticama koje se već nalaze u zraku i prilično se ravnomjerno raspršuju u volumenu prostorije.
Ovo je manifestacija difuzije u plinovima. Vrijedno je napomenuti da i samo udisanje zraka također pripada procesu koji se razmatra, kao i ukusni miris svježe pripremljene boršte u kuhinji.
Kuhinjski stol, na kojem je cvijeće, prekriven je jarko žutim stolnjakom. Sličnu hladovinu dobila je zbog sposobnosti difuzije da prolazi kroz krute tvari.
Sam postupak davanja platnu nekakve jednolike sjene odvija se u nekoliko faza kako slijedi.
Obično, govoreći o ovom procesu, čovjek razmišljainterakcija tvari u istom agregatnom stanju. Na primjer, difuzija u krutim tvarima, krutinama. Da bi se dokazala ova pojava, provodi se pokus s dvije metalne ploče (zlatom i olovom) pritisnutima jedna o drugu. Interpenetracija njihovih molekula traje dugo (jedan milimetar u pet godina). Taj se postupak koristi za izradu neobičnog nakita.
Međutim, spojevi u različitim agregacijskim stanjima također mogu difundirati. Na primjer, postoji difuzija plinova u krutim tvarima.
Tijekom eksperimenata dokazano je da se sličan proces odvija u atomskom stanju. Da bi se aktivirao, u pravilu je potrebno značajno povećanje temperature i tlaka.
Primjer takve difuzije plina u krutim tvarima je vodikova korozija. Očituje se u situacijama kada atomi vodika (N2) pod utjecajem visokih temperatura (od 200 do 650 Celzijevih stupnjeva) prodiru između strukturnih metalnih čestica.
Pored vodika, difuzija u krutim tvarimakisik i drugi plinovi također se mogu pojaviti. Ovaj postupak, neprimjetan za oko, nanosi veliku štetu, jer se metalne konstrukcije zbog njega mogu srušiti.
Međutim, ne samo molekule plina mogu prodrijeti u krutine, već i u tekućine. Kao i u slučaju vodika, najčešće ovaj postupak dovodi do korozije (kada je riječ o metalima).
Nakon što smo se pozabavili tvarima u kojima se može dogoditi razmatrani proces, vrijedi naučiti o uvjetima za njegov tijek.
Prije svega, brzina difuzije ovisi ou kojem su agregacijskom stanju tvari koje međusobno djeluju. Što je veća gustoća materijala u kojem se odvija reakcija, to je njegova brzina sporija.
S tim u vezi, difuzija u tekućinama i plinovima uvijek će biti aktivnija nego u krutim tvarima.
Na primjer, ako kristali kalijevog permanganata KMnO4 (kalijev permanganat) Bacite u vodu, dat će joj prekrasnu grimiznu boju u roku od nekoliko minuta. Međutim, ako je posut kristalima KMnO4 komad leda i sve to stavite u zamrzivač; nakon nekoliko sati kalijev permanganat neće moći potpuno obojiti smrznuti N2OKO.
Iz prethodnog primjera može se izvući još jedan zaključak o uvjetima difuzije. Osim agregatnog stanja, temperatura utječe i na brzinu prodiranja čestica.
Da bi se razmotrila ovisnost procesa koji se o njemu raspravlja, vrijedi naučiti o takvom konceptu kao koeficijent difuzije. Ovo je naziv kvantitativne karakteristike njegove brzine.
U većini formula označava se velikim latiničnim slovom D, a u SI sustavu mjeri se u kvadratnim metrima u sekundi (m2 / s), ponekad u centimetrima u sekundi (cm2/ m).
Koeficijent difuzije jednak je količini tvariraspršivanje kroz jedinicu površine tijekom jedinice vremena, pod uvjetom da je razlika u gustoći na obje površine (smještene na udaljenosti jednakoj jedinici duljine) jednaka jedinici. Kriteriji koji određuju D su svojstva tvari u kojoj se odvija proces raspršivanja čestica i njihova vrsta.
Ovisnost koeficijenta o temperaturi može se opisati pomoću Arrheniusove jednadžbe: D = D0exp(-E / TR).
U razmatranoj formuli E je minimalna energija potrebna za aktiviranje procesa; T - temperatura (izmjerena u Kelvinima, a ne u Celzijusu); R je karakteristika plinske konstante idealnog plina.
Uz sve navedeno, i za brzinuna difuziju u krutim tvarima, na tekućinu u plinovima utječu tlak i zračenje (induktivno ili visokofrekventno). Uz to, puno ovisi o prisutnosti katalitičke tvari; ona često djeluje kao okidač za početak aktivne disperzije čestica.
Ova je pojava poseban oblik jednadžbe parcijalnih diferencijala.
Cilj mu je pronaći ovisnost koncentracijetvari o veličini i koordinatama prostora (u kojem se širi), kao i vremenu. U ovom slučaju, zadani koeficijent karakterizira propusnost medija za reakciju.
Najčešće se jednadžba difuzije zapisuje na sljedeći način: ∂φ (r, t) / ∂t = ∇ x [D (φ, r) ∇ φ (r, t)].
U njemu je φ (t i r) gustoća raspršujuće tvari u točki r u trenutku t. D (φ, r) je generalizirani koeficijent difuzije u gustoći φ u točki r.
∇ je vektorski diferencijalni operator, čije se komponente koordinatama nazivaju djelomičnim izvodima.
Kada je koeficijent difuzije ovisan o gustoći, jednadžba je nelinearna. Kad ne, linearno.
Razmotrivši definiciju difuzije i značajke ovog postupka u različitim medijima, možemo primijetiti da on ima i pozitivne i negativne strane.
