בין התופעות הרבות בפיזיקה, התהליךדיפוזיה היא אחת הפשוטות והמובנות ביותר. אחרי הכל, בכל בוקר, בזמן שהוא מכין לעצמו תה או קפה ריחניים, יש לאדם הזדמנות לצפות בתגובה זו בפועל. בואו נגלה יותר על תהליך זה ועל תנאי התרחשותו במצבי צבירה שונים.
מילה זו מתייחסת לחדירת מולקולות או אטומים של חומר אחד בין יחידות מבניות דומות של אחרת. במקרה זה, ריכוז התרכובות החודרות מפולס.
לראשונה תואר תהליך זה בפירוט על ידי המדען הגרמני אדולף פיק בשנת 1855.
שמו של מונח זה נגזר מהפועל הלטיני שם עצם דיפוזיו (אינטראקציה, פיזור, תפוצה).
התהליך הנבדק יכול להתרחש עם חומרים בכל שלושת מצבי ההצטברות: גזים, נוזלים ומוצקים. כדי למצוא דוגמאות מעשיות לכך, אתה רק צריך להסתכל למטבח.
Варящийся на плите борщ – это один из них.בהשפעת הטמפרטורה, מולקולות גלוקוזין בטנין (חומר שבגללו סלק יש צבע ארגמן כה עשיר) מגיבות באופן שווה עם מולקולות מים, מה שמקנה לו גוון בורדו ייחודי. מקרה זה הוא דוגמא להתפשטות בנוזלים.
בנוסף לבורש, ניתן לראות תהליך זה ב-כוס תה או קפה. לשני המשקאות הללו גוון רווי כה אחיד בגלל העובדה שעלי התה או חלקיקי הקפה, המתמוססים במים, מתפשטים באופן שווה בין המולקולות שלו, ומכתים אותם. הפעולה של כל המשקאות המיידיים הפופולאריים של שנות התשעים מבוססת על אותו עיקרון: יופי, הזמין, צוקו.
המשך לחפש רחוק יותר אחר ביטויים לתהליך המדובר במטבח, עליך לרחרח וליהנות מהניחוח הנעים שמגיע מזר פרחים טריים על שולחן האוכל. מדוע זה קורה?
האטומים והמולקולות הנושאות את הריח נמצאים בתנועה פעילה וכתוצאה מכך מתערבבים עם החלקיקים שכבר נמצאים באוויר, והם מפוזרים באופן שווה למדי בכל נפח החדר.
זהו ביטוי של דיפוזיה בגזים. ראוי לציין שעצם שאיפת האוויר שייכת גם לתהליך הנבדק, וכך גם לריח משגע בפה של בורשט טרי שהוכן במטבח.
שולחן המטבח, עליו יש פרחים, מכוסה במפה צהובה בוהקת. היא קיבלה גוון דומה בשל יכולת הדיפוזיה לעבור במוצקים.
עצם תהליך מתן הבד כלשהו גוון אחיד מתרחש בכמה שלבים כדלקמן.
בדרך כלל, כשמדברים על תהליך זה, שוקליםאינטראקציה של חומרים באותו מצב צבירה. לדוגמא, דיפוזיה במוצקים, במוצקים. כדי להוכיח תופעה זו, נערך ניסוי כששתי לוחות מתכת (זהב ועופרת) נלחצים זה בזה. חדירת המולקולות שלהן אורכת זמן רב (מילימטר אחד בחמש שנים). תהליך זה משמש לייצור תכשיטים יוצאי דופן.
עם זאת, תרכובות במצבי צבירה שונים יכולות גם להתפזר. לדוגמא, יש דיפוזיה של גזים במוצקים.
במהלך הניסויים הוכח שתהליך דומה מתרחש במצב אטומי. כדי להפעיל אותו, ככלל, נדרשת עלייה משמעותית בטמפרטורה ולחץ.
דוגמה להפצת גז כזו במוצקים היא קורוזיה של מימן. זה מתבטא במצבים בהם אטומי המימן (Н2) בהשפעת טמפרטורות גבוהות (בין 200 ל 650 מעלות צלזיוס) חודרים בין חלקיקי מתכת מבניים.
בנוסף למימן, דיפוזיה במוצקיםחמצן וגזים אחרים מסוגלים להופיע. תהליך זה, שאינו מורגש לעין, מביא נזק רב, מכיוון שמבני מתכת עלולים להתמוטט בגללו.
עם זאת, לא רק מולקולות גז יכולות לחדור למוצקים, אלא גם נוזלים. כמו במקרה של מימן, לרוב תהליך זה מוביל לקורוזיה (כשמדובר במתכות).
לאחר שעסקנו בחומרים בהם התהליך הנדון יכול להתרחש, כדאי ללמוד על התנאים למהלכו.
קודם כל, קצב הדיפוזיה תלויבאיזה מצב צבירה החומרים האינטראקטיביים. ככל שצפיפות החומר בו התגובה מתרחשת גבוהה יותר, כך מהירותה איטית יותר.
בהקשר זה, דיפוזיה בנוזלים ובגזים תמיד תהיה פעילה יותר מאשר במוצקים.
לדוגמה, אם הגבישים של אשלגן permanganate KMnO4 (אשלגן פרמנגנט) נזרק למים, הם יתנו לו צבע ארגמן יפה בתוך מספר דקות. עם זאת, אם זרועים אותם גבישים של KMnO4 חתיכת קרח והכנסו הכל למקפיא, לאחר מספר שעות, אשלגן פרמנגנט לא יוכל לצבוע את ה- N הקפוא2על אודות.
מהדוגמה הקודמת ניתן להסיק מסקנה נוספת לגבי תנאי הדיפוזיה. בנוסף למצב הצבירה, הטמפרטורה משפיעה גם על קצב חדירת החלקיקים.
כדי לשקול את התלות של התהליך הנבחן בו, כדאי ללמוד על מושג כזה כמו מקדם דיפוזיה. זהו שם המאפיין הכמותי של מהירותו.
ברוב הנוסחאות הוא מצוין באמצעות האות הלטינית הגדולה D ובמערכת SI נמדדת במ"ר לשנייה (מ"ר / שנייה), לפעמים בסנטימטרים לשנייה (ס"מ2/ M).
מקדם הדיפוזיה שווה לכמות החומרפיזור דרך יחידת משטח על פני יחידת זמן, בתנאי שההבדל בצפיפות בשני המשטחים (הממוקם במרחק שווה ליחידת אורך) שווה לאחדות. הקריטריונים הקובעים את D הם תכונות החומר בו מתרחש תהליך פיזור החלקיקים, וסוגם.
ניתן לתאר את התלות של המקדם בטמפרטורה באמצעות משוואת Arrhenius: D = D0 מחיר(-E / TR).
בנוסחה הנחשבת, E היא האנרגיה המינימלית הנדרשת להפעלת התהליך; T - טמפרטורה (נמדדת בקלווין, ולא צלזיוס); R הוא המאפיין הקבוע של הגז של גז אידיאלי.
בנוסף לכל האמור לעיל, למהירותדיפוזיה במוצקים, נוזל בגזים מושפע מלחץ וקרינה (אינדוקטיבי או בתדירות גבוהה). בנוסף, הרבה תלוי בנוכחות חומר קטליטי; לעתים קרובות הוא משמש כגורם להתחלה של פיזור חלקיקים פעיל.
תופעה זו היא צורה מיוחדת של משוואת ההפרש החלקית.
מטרתו למצוא את תלות הריכוזמשנה על גודל וקואורדינטות החלל (בהן הוא מתפזר), כמו גם זמן. במקרה זה, המקדם הנתון מאפיין את חדירות המדיום לתגובה.
לרוב, משוואת הדיפוזיה נכתבת באופן הבא: ∂φ (r, t) / ∂t = ∇ x [D (φ, r) ∇ φ (r, t)].
בו, φ (t ו- r) הוא הצפיפות של חומר הפיזור בנקודה r בזמן t. D (φ, r) הוא מקדם הדיפוזיה הכללי בצפיפות φ בנקודה r.
∇ הוא אופרטור דיפרנציאלי וקטורי, שמרכיביו בקואורדינטות מכונים נגזרות חלקיות.
כאשר מקדם הדיפוזיה תלוי בצפיפות, המשוואה אינה לינארית. מתי לא, לינארי.
לאחר ששקלנו את ההגדרה של דיפוזיה ותכונות של תהליך זה במדיות שונות, ניתן לציין שיש לו צד חיובי ושלילי כאחד.
