Tra i tanti fenomeni in fisica, il processola diffusione è una delle più semplici e comprensibili. Dopotutto, ogni mattina, mentre si prepara un tè o un caffè aromatico, una persona ha l'opportunità di osservare questa reazione nella pratica. Scopriamo di più su questo processo e sulle condizioni del suo corso nei diversi stati di aggregazione.
Questa parola si riferisce alla penetrazione di molecole o atomi di una sostanza tra unità strutturali simili di un'altra. In questo caso, la concentrazione di composti penetranti viene livellata.
Questo processo fu descritto per la prima volta in dettaglio dallo scienziato tedesco Adolf Fick nel 1855.
Il nome di questo termine è stato formato dal sostantivo verbale latino diffusio (interazione, dispersione, distribuzione).
Il processo in esame può avvenire con sostanze in tutti e tre gli stati di aggregazione: gassoso, liquido e solido. Per trovare esempi pratici di questo, basta guardare in cucina.
Borscht bollito sul fornello è uno di questi.Sotto l'influenza della temperatura, le molecole di glucosinbetanina (la sostanza grazie alla quale le barbabietole hanno un colore scarlatto così ricco) reagiscono uniformemente con le molecole d'acqua, conferendole una tonalità bordeaux unica. Questo caso è un esempio di diffusione nei liquidi.
Oltre al borscht, questo processo può essere visto inun bicchiere di tè o caffè. Entrambe queste bevande hanno una tonalità ricca così uniforme dovuta al fatto che le particelle di infuso o caffè, dissolvendosi in acqua, si diffondono uniformemente tra le sue molecole, colorandole. L'azione di tutte le bevande istantanee popolari degli anni Novanta si basa sullo stesso principio: Yupi, Invite, Zuko.
Continuando a cercare le manifestazioni del processo in questione in cucina, vale la pena annusare e godersi il piacevole aroma che emana da un bouquet di fiori freschi sul tavolo da pranzo. Perché sta succedendo?
Gli atomi e le molecole che trasportano l'odore sono in movimento attivo e, di conseguenza, si mescolano con le particelle già contenute nell'aria, e si disperdono piuttosto uniformemente nel volume della stanza.
Questa è una manifestazione di diffusione nei gas. Vale la pena notare che anche l'inalazione di aria appartiene al processo in esame, così come l'odore appetitoso del borscht appena preparato in cucina.
Il tavolo della cucina con i fiori è coperto da una tovaglia giallo brillante. Ha ricevuto una tonalità simile a causa della capacità di diffusione di passare attraverso i solidi.
Lo stesso processo per dare alla tela una sorta di sfumatura uniforme si svolge in più fasi come segue.
Di solito, parlando di questo processo, si considerainterazioni di sostanze negli stessi stati di aggregazione. Ad esempio, diffusione in solidi, solidi. Per dimostrare questo fenomeno, viene eseguito un esperimento con due lastre di metallo (oro e piombo) premute l'una contro l'altra. La compenetrazione delle loro molecole richiede molto tempo (un millimetro in cinque anni). Questo processo viene utilizzato per creare gioielli insoliti.
Tuttavia, anche i composti in diversi stati di aggregazione sono in grado di diffondersi. Ad esempio, c'è diffusione di gas nei solidi.
Nel corso degli esperimenti, è stato dimostrato che un processo simile avviene in uno stato atomico. Per attivarlo, di regola, è necessario un aumento significativo della temperatura e della pressione.
Un esempio di tale diffusione di gas nei solidi è la corrosione da idrogeno. Si manifesta in situazioni in cui gli atomi di idrogeno (Н2) sotto l'influenza di alte temperature (da 200 a 650 gradi Celsius) penetrano tra le particelle metalliche strutturali.
Oltre all'idrogeno, diffusione nei solidipossono verificarsi anche ossigeno e altri gas. Questo processo, impercettibile alla vista, fa molto male, perché le strutture metalliche possono collassare a causa di esso.
Tuttavia, non solo le molecole di gas possono penetrare nei solidi, ma anche nei liquidi. Come nel caso dell'idrogeno, molto spesso questo processo porta alla corrosione (quando si tratta di metalli).
Dopo aver affrontato le sostanze in cui può verificarsi il processo in esame, vale la pena conoscere le condizioni del suo corso.
Prima di tutto, la velocità di diffusione dipende dalo stato di aggregazione delle sostanze interagenti. Maggiore è la densità del materiale in cui avviene la reazione, minore è la sua velocità.
A questo proposito, la diffusione nei liquidi e nei gas avverrà sempre più attivamente che nei solidi.
Ad esempio, se i cristalli di permanganato di potassio KMnOquattro (Permanganato di Potassio) gettati in acqua, gli daranno un bel colore cremisi entro pochi minuti. Tuttavia, se cosparso di cristalli KMnO4 un pezzo di ghiaccio e mettete il tutto in congelatore, dopo qualche ora il permanganato di potassio non sarà in grado di colorare completamente la N congelata2DI.
Dall'esempio precedente, si può trarre un'altra conclusione sulle condizioni di diffusione. Oltre allo stato di aggregazione, la temperatura influisce anche sulla velocità di compenetrazione delle particelle.
Per considerare la dipendenza del processo in esame da esso, vale la pena conoscere un concetto come il coefficiente di diffusione. Questo è il nome della caratteristica quantitativa della sua velocità.
Nella maggior parte delle formule, è indicato utilizzando la grande lettera latina D e nel sistema SI è misurato in metri quadrati al secondo (m2 / s), a volte in centimetri al secondo (cm2/ m).
Il coefficiente di diffusione è uguale alla quantità di sostanzadispersione attraverso un'unità di superficie su un'unità di tempo, a condizione che la differenza di densità su entrambe le superfici (situate a una distanza pari a un'unità di lunghezza) sia uguale all'unità. I criteri che determinano D sono le proprietà della sostanza in cui avviene il processo stesso di dispersione delle particelle e il loro tipo.
La dipendenza del coefficiente dalla temperatura può essere descritta utilizzando l'equazione di Arrhenius: D = D0exp(-E / TR).
Nella formula considerata, E è l'energia minima richiesta per attivare il processo; T - temperatura (misurata in Kelvin, non Celsius); R è la costante dei gas caratteristica di un gas ideale.
Oltre a tutto quanto sopra, per la velocitàla diffusione nei solidi, i liquidi nei gas è influenzata dalla pressione e dalla radiazione (induttiva o ad alta frequenza). Inoltre, molto dipende dalla presenza di una sostanza catalitica, che spesso funge da innesco per l'inizio della dispersione attiva delle particelle.
Questo fenomeno è una forma speciale dell'equazione alle derivate parziali.
Il suo obiettivo è trovare la dipendenza dalla concentrazioneimporta la dimensione e le coordinate dello spazio (in cui si diffonde), così come il tempo. In questo caso, il coefficiente dato caratterizza la permeabilità del mezzo per la reazione.
Molto spesso, l'equazione di diffusione è scritta come segue: ∂φ (r, t) / ∂t = ∇ x [D (φ, r) ∇ φ (r, t)].
In esso, φ (t e r) è la densità della materia che si disperde nel punto r al tempo t. D (φ, r) è il coefficiente di diffusione generalizzato alla densità φ nel punto r.
∇ è un operatore differenziale vettoriale, le cui componenti mediante coordinate sono chiamate derivate parziali.
Quando il coefficiente di diffusione dipende dalla densità, l'equazione non è lineare. Quando no, lineare.
Dopo aver considerato la definizione di diffusione e le caratteristiche di questo processo in diversi media, si può notare che ha lati positivi e negativi.
