Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Диффузия играет огромную роль в природе, в быту человека и в технике . Диффузионные процессы могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность человека и животных. Примером положительного воздействия является поддержание однородного состава атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Диффузия играет важную роль в различных областях науки и техники, в процессах, происходящих в живой и неживой природе. Она оказывает влияние на течение химических реакций.

С участием диффузии или при нарушении и изменении этого процесса могут протекать отрицательные явления в природе и жизни человека, такие как обширное загрязнение окружающей среды продуктами технического прогресса человека.

Актуальность: Диффузия доказывает, что тела состоят из молекул, которые находятся в беспорядочном движении; диффузия имеет большое значение в жизни человека, животных и растений, а также в технике.

Цель:

доказать, что диффузия зависит от температуры;

рассмотреть примеры диффузии в домашних опытах;

убедиться, что диффузия в разных веществах происходит по-разному.

Рассмотреть тепловую диффузию веществ.

Задачи исследования:

Изучить научную литературу по теме «Диффузия».

Доказать зависимость скорости диффузии от рода вещества, температуры.

Изучить влияние явления диффузии на окружающую среду и человека.

Описать и спроектировать наиболее интересные опыты по диффузии.

Методы исследования:

Анализ литературы и материалов интернета.

Проведение опытов по изучению зависимости диффузии от рода вещества и температуры.

Анализ результатов.

Предмет исследования: явление диффузии, зависимость протекания диффузии от различных факторов, проявление диффузии в природе, технике, быту.

Гипотеза: диффузия имеет большое значение для человека и природы.

1.Теоретическая часть

1.1.Что такое диффузия

Диффузия - это самопроизвольное перемешивание соприкасающихся веществ, происходящее вследствие хаотического (беспорядочного) движения молекул.

Еще одно определение: диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией .

Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной).

Диффузия происходит в жидкостях, твердых телах и газах. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. Столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твердого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896г. началось изучение проблемы.

Диффузия молекул протекает очень медленно. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным.

1.2. Роль диффузии в природе

С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым костра распространяется на большие расстояния . Если посмотреть на дымовые трубы предприятий и выхлопные трубы автомобилей, во многих случаях вблизи труб виден дым. А потом он куда-то исчезает. Дым растворяется в воздухе за счет диффузии. Если же дым плотный, то его шлейф тянется довольно далеко.

Результатом диффузии может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета, ни запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком даже при весьма малой его концентрации . Такая мера предосторожности позволяет быстро заметить накопление газа в помещении, если образовалась утечка (рис 1).

Благодаря явлению диффузии нижний слой атмосферы - тропосфера - состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды . При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним - кислород, выше - азот, инертные газы (рис 2).

В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака - тоже пример диффузии и как точно об этом сказано у Ф.Тютчева: «В небе тают облака…» (рис 3)

На принципе диффузии основано перемешивание пресной волы с солёной при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.

Диффузия играет большую роль в жизни растений и животных. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости и узнают дорогу домой (рис 4)

Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчёлы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем. А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьёт воду, получает из почвы различные микродобавки .

Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи (рис 5).

Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоёмов и аквариумов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счёт диффузии через их свободную поверхность. Так, например, листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели её обитателей. По этой же причине сосуды с узким горлом непригодны для использования в качестве аквариума (рис 6).

Уже было отмечено, что есть много общего в значении явления диффузии для жизнедеятельности растений и животных. Прежде всего, следует отметить роль диффузионного обмена через поверхность растений в выполнении функции дыхания. Для деревьев, например, наблюдается особенно большое развитие поверхности(листовая крона), так как диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет функцию дыхания. К.А. Тимирязев говорил: «Будем ли мы говорить о питании корня за счёт веществ, находящихся в почве, будем ли говорить о воздушном питании листьев за счет атмосферы или питании одного органа за счёт другого, соседнего, - везде для объяснения мы будем прибегать к тем же причинам: диффузия» (рис 7).

Благодаря диффузии кислород из легких пpoникaeт в кровь человека, а из крови - в ткани.

В научной литературе я изучила процесс односторонней диффузии - осмос, т.е. диффузия веществ через полупроницаемые мембраны. Процесс осмоса отличается от свободной диффузии тем, что на границе двух соприкасающихся жидкостей расположено препятствие в виде перегородки (мембраны), которая проницаема только для растворителя и вовсе не проницаема для молекул растворенного вещества (рис 8).

В почвенных растворах содержатся минеральные соли и органические соединения. Вода из почвы попадает в растение путем осмоса через полупроницаемые мембраны корневых волосков. Концентрация воды в почве оказывается выше, чем внутри корневых волосков, поэтому вода проникает в зерно и дает жизнь растению.

1.3. Роль диффузии в быту и технике

Диффузия используется во многих технологических процессах: засолка, получение сахара (стружка сахарной свёклы промывается водой, молекулы сахара диффундируют из стружки в раствор), варка варенья, окрашивание тканей, стирка вещей, цементация, сварка и пайка металлов, в том числе диффузионная сварка в вакууме (свариваются металлы, которые другими методами соединить невозможно, - сталь с чугуном, серебро с нержавеющей сталью и т.д.) и диффузионная металлизация изделий(поверхностное насыщение стальных изделий алюминием, хромом, кремнием), азотирование - насыщение поверхности стали азотом (сталь становится твёрдой, износоустойчивой), цементация - насыщение стальных изделий углеродом, цианирование -насыщение поверхности стали углеродом и азотом .

Распространение запахов в воздухе - наиболее часто встречающийся пример диффузии в газах. Почему же запах распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время? Дело в том, что во время движения в определенном направлении молекулы пахучего вещества сталкиваются с молекулами воздуха. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения.

2. Практическая часть

Как много удивительного и интересного происходит вокруг нас! Многое хочется узнать, попытаться объяснить самостоятельно. Именно для этого я решила провести ряд экспериментов, в ходе которых попыталась выяснить, действительно ли теория диффузии справедлива, находит ли она свое подтверждение на практике. Любую теорию можно считать достоверной лишь в том случае, если она многократно подтверждается экспериментально.

Опыт №1 Наблюдение явления диффузии в жидкостях

Цель : изучить диффузию в жидкости. Пронаблюдать растворение кусочков перманганата калия в воде, при неизменной температуре (при t = 20°С)

Приборы и материалы :стакан с водой, термометр, перманганат калия.

Я взяла кусочек перманганата калия и два стакана с чистой водой при температуре 20 °С. Положила в стаканы кусочки перманганата калия и начала наблюдать за происходящим. Через 1 минуту вода в стаканах начинает окрашиваться.

Вода является хорошим растворителем. Под действием молекул воды происходит разрушение связей между молекулами твердых веществ марганцовки.

В первом стакане я не перемешивала раствор, а во втором перемешала. Перемешивая воду (взбалтывая), я убедилась, что процесс диффузии происходит гораздо быстрее (2 минуты)

Цвет воды в первом стакане становится более интенсивным по истечении времени. Молекулы воды проникают между молекулами перманганата калия, нарушая силы притяжения. Одновременно с силами притяжения между молекулами начинают действовать силы отталкивания и, как следствие, происходит разрушение кристаллической решетки твердого вещества. Процесс растворения марганцовки закончился. Время прохождения эксперимента 3 часа 15 минут. Вода полностью окрасилась в малиновый цвет (рис 9-12).

Можно сделать вывод, что явление диффузии в жидкости - это длительный процесс, в результате которого происходит растворение твердых тел.

Я захотела выяснить, от чего еще зависит скорость протекания диффузии.

Опыт №2 Изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры

Цель: изучить, как температура воды влияет на скорость протекания диффузии.

Приборы и материалы: термометры - 1 шт, секундомер - 1 шт, стаканы - 4 шт, чай, перманганат калия.

(опыт приготовления чая при начальной температуре 20°С и при температуре 100° С в двух стаканах).

Взяли два стакана с водой при t=20 °С и t=100 °С. На рисунках показано протекание эксперимента через определенное время от начала: в начале эксперимента - рис.1, через 30 с. - рис.2, через 1 мин. - рис.3, через 2 мин. - рис.4, через 5 мин. - рис 5, через 15 мин. - рис.6. Из этого опыта можно сделать вывод о том, что на скорость протекания диффузии влияет температура: чем больше температура, тем выше скорость протекания диффузии (рис 13-17).

Те же результаты я получила, когда вместо чая взяла 2 стакана с водой. В одном из них была вода комнатной температуры, во втором кипяток.

Я опустила в каждый стакан одинаковое количество перманганата калия. В том стакане, где температура воды была выше, процесс диффузии протекал значительно быстрее (рис.18-23.)

Следовательно скорость диффузии зависит от температуры - чем выше температура, тем интенсивнее происходит диффузия.

Опыт № 3 Наблюдение диффузии с применением химических реактивов

Цель: Наблюдение явления диффузии на расстоянии.

Оборудование: вата, нашатырный спирт, фенолфталеин, пробирка.

Описание опыта: Нальём в пробирку нашатырный спирт. Смочим кусочек ваты фенолфталеином и положим сверху в пробирку. Через некоторое время наблюдаем окрашивание ватки (рис 24-26).

Нашатырный спирт испаряется; молекулы нашатырного спирта проникли к ватке, смоченной фенолфталеином, и та окрасилась, хотя ватка в соприкосновение со спиртом не приводилась. Молекулы спирта перемешались с молекулами воздуха и достигли ватки. Данный опыт демонстрирует явление диффузии на расстоянии.

Опыт №4. Наблюдение явления диффузии в газах

Цель: изучение изменения диффузии газа в воздухе в зависимости от изменения температуры в помещении.

Приборы и материалы : секундомер, духи, термометр

Описание опыта и полученные результаты :я исследовала время распространения запаха духов в кабинете V=120м 3 при температуре t = +20 0 . Засекалось время от начала распространения запаха в комнате, до получения явной чувствительности у людей, стоящих на расстоянии 10 м. от исследуемого объекта (духи). (рис 27-29)

Опыт №5 Растворения кусочков гуаши в воде, при неизменной температуре

Цель:

Приборы и материалы: три стакана, вода, гуашь трех цветов.

Описание опыта и полученные результаты:

Взяли три стакана, набрали воды t =25 0 С, бросили одинаковые кусочки гуаши в стаканы.

Начали наблюдать за растворением гуаши.

Фотографии сделаны через 1 минуту, 5 минут, 10 минут, 20 минут, растворение закончилось через 4 часа 19 минут (рис 30-34)

Опыт №6 Наблюдение явления диффузии в твердых телах

Цель: наблюдение диффузии в твердых телах.

Приборы и материалы: яблоко, картофель, морковь, раствор «зеленки», пипетка.

Описание опыта и полученные результаты:

Разрезаем яблоко, морковь, картофель «капаем зеленкой» на одну из половинок.

Наблюдаем, как пятно расплывается по поверхности

Разрезаем по месту соприкосновения с зеленкой, чтобы посмотреть насколько глубоко она проникла внутрь (рис 35-37)

Как провести опыт, чтобы подтвердить гипотезу о возможности протекания диффузии в твердых телах? Возможно ли перемешивание веществ в таком агрегатном состоянии? Скорей всего, ответ «Да». Но наблюдать диффузию в твердых телах (очень вязких) удобно с использованием густых гелей. Таким является плотный раствор желатина. Его можно приготовить следующим образом: 4-5 г сухого пищевого желатина растворить в холодной воде. Желатин сначала должен несколько часов набухать, а затем его полностью растворяют при помешивании в воде объемом 100 мл, опустив в сосуд с горячей водой. После охлаждения получается 4-5 % раствор желатина.

Опыт № 7 Наблюдение диффузии с применением густых гелей

Цель: Наблюдение явления диффузии в твердых телах (с применением густого раствора желатина).

Оборудование: 4%-ный раствор желатина, пробирка, небольшой кристаллик марганцовки, пинцет.

Описание и результат опыта: Раствор желатина поместить в пробирку, в центр пробирки быстро, одним движением ввести пинцетом кристаллик марганцовки.

Кристаллик марганцовки в начале опыта

Расположение кристаллика в пузырьке с раствором желатина через 1,5 часа

Уже через несколько минут вокруг кристаллика начнет расти окрашенный в фиолетовый шарик, со временем он становится все больше и больше. Это означает, что вещество кристаллика распространяется во всех направлениях с одинаковой скоростью (рис 38-39)

В твердых телах диффузия происходит, но значительно медленнее чем, в жидкостях и газах.

Опыт № 8 Разница температур в жидкости - тепловая диффузия

Цель: Наблюдение явления тепловой диффузии.

Оборудование: 4 одинаковых стеклянных сосуда, 2 цвета краски, горячая и холодная вода, 2 пластиковые карточки.

Описание и результат опыта:

1. Добавляем немного красной краски в сосуд 1 и 2, синюю краску в сосуды 3 и 4.

2. Наливаем горячую воду в сосуды 1 и 2.

3. Наливаем холодную воду в сосуды 3 и 4.

4. Сосуд 1 накрываем пластиковой картой, переворачиваем вниз горлышком и ставим на сосуд 4.

5. Сосуд 3 накрываем пластиковой картой, переворачиваем вниз горлышком и ставим на сосуд 2.

6. Удаляем обе карты.

Этот опыт демонстрирует эффект тепловой диффузии. В первом случае горячая вода оказывается поверх холодной и диффузия не происходит до тех пор, пока температуры не сравняются. А во втором случае наоборот, внизу горячая, а вверху холодная. И во втором случае молекулы горячей вода начинают стремиться вверх, а молекулы холодной - вниз (рис 41-44).

Заключение

В ходе данной исследовательской работы можно сделать вывод о том, что диффузия играет огромную роль в жизни человека и животных.

В ходе данной исследовательской работы можно сделать вывод о том, что продолжительность диффузии зависит от температуры: чем выше температура, тем быстрее протекает диффузия.

Я изучила явление диффузии на примере различных веществ.

Скорость протекания зависит от рода вещества: в газах она протекает быстрее, чем в жидкостях; в твердых телах диффузия протекает значительно медленнее.Это утверждение можно объяснить так: молекулы газов свободны, находятся на расстояниях много больше размеров молекул, двигаются с большими скоростями. Молекулы жидкостей расположены также беспорядочно, как и в газах, но значительно плотнее. Каждая молекула, находясь в окружении соседних молекул, медленно перемещается внутри жидкости. Молекулы твердых веществ совершают колебания около положения равновесия.

Существует тепловая диффузия.

Список используемой литературы

Генденштейн, Л.Э. Физика. 7 класс. Часть 1 / Л.Э. Генденштейн, А.Б, Кайдалов. - М: Мнемозина, 2009.-255 с.;

Кириллова, И.Г. Книга для чтения по физике для учащихся 7 классов средней школы / И.Г. Кириллова.- М.,1986.-207 с.;

Ольгин, О. Опыты без взрывов / О. Ольгин.- М.: Химик, 1986.-192 с.;

Перышкин, А.В. Учебник по физике 7 класс / А.В. Перышкин.- М., 2010.-189 с.;

Разумовский, В.Г. Творческие задачи по физике / В.Г. Разумовский.- М.,1966.-159 с.;

Рыженков, А.П. Физика. Человек. Окружающая среда: Приложение к учебнику физики для 7-го класса общеобразовательных учреждений / А.П. Рыженков.- М.,1996.- 120 с.;

Чуянов, В.А. Энциклопедический словарь юного физика / В.А. Чуянов.- М., 1984.- 352 с.;

Шабловский, В. Занимательная физика / В. Шабловский. С.-П., Тригон, 1997.-416 с.

Приложение

рисунок 1

рисунок 2

рисунок 3

рисунок 4

рисунок 5

рисунок 6

рисунок 7

Частицы растворителя (синие) способны пересекать мембрану,

частицы растворённого вещества (красные) — нет.

рисунок 8

рисунок 9

рисунок 10

рисунок 11

рисунок 12

рисунок 13

рисунок 14

рисунок 15

рисунок 16

рисунок 17

рисунок 18

рисунок 19

рисунок 20

рисунок 21

рисунок 22

рисунок 23

рисунок 24

рисунок 25

рисунок 26

рисунок 27

рисунок 28

рисунок 29

рисунок 30

рисунок 31

рисунок 32

рисунок 33

рисунок 34

рисунок 35

рисунок 36

Диффузия

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы .

Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи , однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность , вязкое трение и т. п.

Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом , то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.

Количественно описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком (англ. ) в 1855 г.

Общее описание

Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций , температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность , в случае потока электрических зарядов - электропроводность . Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий , продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.

Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов . Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235 U от основной массы 238 U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.

Уравнения Фика

С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии . При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ , обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала

В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C . Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал перестаёт быть связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то вышеприведённую формулу можно заменить на следующую:

которая показывает, что плотность потока вещества J пропорциональна коэффициенту диффузии D [()] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):

Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса .

Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера-Планка . Процессы диффузии имеют большое значение в природе:

Питание, дыхание животных и растений;
Проникновение кислорода из крови в ткани человека.

Геометрическое описание уравнения Фика

Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения концентрации во времени, а в правой части уравнения - вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение концентрации, в частности, выпуклость функции распределения температур, проецируемую на ось х.

См. также

Поверхностная диффузия - процесс, связанный с перемещением частиц, происходящий на поверхности конденсированного тела в пределах первого поверхностного слоя атомов (молекул) или поверх этого слоя.

Примечания

Литература

Бокштейн Б. С. Атомы блуждают по кристаллу. - М .: Наука, 1984. - 208 с. - (Библиотечка «Квант» . Вып. 28). - 150 000 экз.

Ссылки

Диффузия (видеоурок, программа 7 класса)
Диффузия примесных атомов на поверхности монокристалла

Wikimedia Foundation . 2010 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Диффузия" в других словарях:

- [лат. diffusio распространение, растекание] физ., хим. проникновение молекул одного вещества (газа, жидкости, твердого тела) в другое при их непосредственном соприкосновении или через пористую перегородку. Словарь иностранных слов. Комлев Н.Г.,… … Словарь иностранных слов русского языка

Диффузия - – проникновение в среду частиц одного вещества частиц другого вещества, происхо дящее вследствие теплового движения в направлении уменьшения концентрации другого вещества. [Блюм Э. Э. Словарь основных металловедческих терминов. Екатеринбург … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов

Современная энциклопедия

- (от лат. diffusio распространение растекание, рассеивание), движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения концентраций частиц данного сорта в среде. В отсутствие… … Большой Энциклопедический словарь

ДИФФУЗИЯ, перемещение вещества в смеси из область с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, вызванное случайным перемещением отдельных атомов или молекул. Диффузия прекращается, когда исчезает градиент концентрации. Скорость… … Научно-технический энциклопедический словарь

диффузия - и, ж. diffusion f., нем. Diffusion <лат. diffusio растекание, распространение. Взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения молекул и атомов. Диффузия газов, жидкостей. БАС 2. || перен. Они… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

Диффузия - (от латинского diffusio распространение, растекание, рассеивание), движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или установлению их равновесного распределения. Обычно диффузия определяется тепловым движением… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Перемещение частиц в направлении убывания их концентрации, обусловленное тепловым движением. Д. приводит к выравниванию концентраций диффундирующего вещества и равномерному заполнению частицами объема.… … Геологическая энциклопедия

Диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) - процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации)

Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов диффузия частиц играет в физике плазмы.

Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность, вязкое трение и т.п.

Рис.

Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.

Физический смысл явления диффузия

Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10°C вместо 5°C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов - электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000°C.

Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235U от основной массы 238U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.

Уравнение Фика.

С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала:

В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то вышеприведённую формулу можно заменить на следующую:

которая показывает, что плотность потока вещества J пропорциональна коэффициенту диффузии D [()] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика (Адольф Фик - немецкий физиолог, установивший законы диффузии в 1855 г.). Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):

Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера-Планка. Процессы диффузии имеют большое значение в природе:

Питание, дыхание животных и растений;

Проникновение кислорода из крови в ткани человека.

Геометрическое описание уравнения Фика.

Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения температуры во времени, а в правой части уравнения - вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение температур, в частности, выпуклость функции распределения температур, проецируемую на ось х.

Оглавление темы "Электронная микроскопия. Мембрана.":

Факторы, влияющие на скорость диффузии , объединены в законе Фика . Он гласит, что скорость диффузии пропорциональна следующему выражению:

Итак, какие молекулы могут проходить через мембраны за счет диффузии ? Быстро диффундируют через мембраны такие газы, как кислород и диоксид углерода. Молекулы воды, хотя и сильно поляризованные, достаточно малы для того, чтобы без помех проскользнуть между гидрофобными молекулами фосфолипидов.

Вместе с тем ионы и более крупные полярные молекулы гидрофобными участками мембраны отталкиваются, а потому через мембрану крайне медленно. Для их поступления в клетку требуются другие механизмы.

Некоторые ионы и полярные молекулы проникают в клетку при помощи особых транспортных белков . Это белки-каналы и белки-переносчики. Заполненные водой гидрофильные каналы, или поры, этих белков имеют строго определенную форму, соответствующую тому или иному иону или молекуле. Иногда канал проходит не внутри одной белковой молекулы, а между несколькими соседними молекулами.

Диффузия по каналам идет в обоих направлениях. Такую диффузию - при помощи транспортных белков - называют облегченной диффузией . Транспортные белки, по которым проходят ионы, называются ионными каналами. Обычно ионные каналы снабжены «воротами», т. е. могут открываться и закрываться. Ионные каналы, способные открываться и закрываться, играют важную роль при проведении нервных импульсов.

У белков-каналов форма фиксирована. Было показано, что болезнь, известная как цистозный фиброз, есть результат дефекта в белке, который служит каналом для хлорид-ионов. У белков-переносчиков форма, наоборот, претерпевает быстрые изменения, до 100 циклов в секунду. Они существуют в двух состояниях, и механизм их действия напоминает игру в «пинг-понг».

На рисунке показано, как функционирует этот механизм. Связывающие участки белка-переносчика в одном состоянии («пинг») обращены наружу, а в другом («понг») внутрь клетки. Чем выше концентрация растворенных молекул или ионов, тем больше шансов на то, что они окажутся связанными. Если концентрация растворенного вещества снаружи выше, чем в клетке, как в примере с глюкозой на рисунке, то реальный поток этого вещества будет направлен внутрь, и оно будет поступать в клетку.

Именно так глюкоза проникает в эритроциты. Перемещение такого рода имеет все характерные признаки диффузии , хотя оно и облегчается участием белка. Еще одним примером облегченной диффузии может служить перемещение хлорид- и гидрокарбонат-ионов между эритроцитами и плазмой крови при так называемом хлоридном сдвиге. Это один из механизмов, обеспечивающих частичную и избирательную проницаемость мембран.

ДИФФУЗИЯ (от лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание) - неравновесный процесс, вызываемый молекулярным тепловым движением и приводящий к установлению равновесного распределения концентраций внутри фаз. В результате Д. происходит выравнивание хим. потенциалов компонентов смеси. В однофазной системе при пост. темп-ре и отсутствии внеш. сил Д. выравнивает концентрацию каждого компонента фазы по объёму всей системы. Если темп-pa не постоянна или на систему действуют внеш. силы, то в результате Д. устанавливается пространственно неоднородное равновесное распределение концентраций каждого из компонентов (см. Термодиффузия, Электродиффузия ).

(2-й закон Фика). Матем. теория ур-ния Д. совпадает с теорией теплопроводности уравнения .

Для смеси мн. компонентов диффузионный поток каждого компонента j i , согласно термодинамике необратимых процессов , определяется градиентами хим. потенциалов всех п компонентов смеси:

где L ik - кинетич. коэф. Онсагера, имеющие тензорный характер и пропорциональные коэф. Д. компонентов смеси (индекс означает, что рассматривается Д. i -гo компонента относительно k -го). Градиенты хим. потенциалов берутся при фиксиров. темп-ре T . Выражение (4) есть частный случай линейных соотношений Онсагера между термодинамич. силами Д. и диффузионными потоками. Согласно принципу Онсагера (см. Онсагера теорема) , в отсутствие магн. поля .

Среди градиентов хим. потенциалов лишь n - 1 независимых, их можно выразить через градиенты концентраций с помощью Гиббса - Дюгема уравнения и представить диффузионный поток в виде

где D ik - тензор коэф. Д. Его диагональные элементы определяют прямые процессы Д., а недиагональные - перекрёстные диффузионные процессы. Соотношения Онсагера для D ik имеют более сложный характер, чем для L ik . Для бинарной смеси коэф. D 11 связан с коэф. Онсагера L 11 соотношением

В процессе Д. происходит возрастание энтропии, причём производство энтропии в единицу времени равно:

Если на смесь компонентов действуют внеш. силы F k (напр., гравитационные и инерциальные), то явление Д. существенно меняется. Поскольку градиент давления зависит от внеш. сил F k , то термодинамич. силами являются не только градиенты хим. потенциалов, но также и центробежная сила и сила тяготения и возникает бародиффузия. При этом термодинамич. равновесию соответствует стационарное неоднородное распределение концентраций. Процесс Д. стремится к установлению этого распределения. Этот процесс позволяет определять молекулярные массы по седиментации в центробежном поле в ультрацентрифуге.

Диффузия в твёрдых телах. Процесс Д. в твёрдых телах может осуществляться с помощью неск. механизмов: обмен местами атомов кристаллич. структуры с её вакансиями ,перемещение атомов по междоузлиям (см. Межузельный атом ), одновременное циклическое перемещение неск. атомов, обмен местами двух соседних атомов. При образовании твёрдых растворов замещения преобладает обмен местами атомов и вакансий.

Коэф. Д. в твёрдых телах очень зависит от дефектов структуры, увеличиваясь с ростом их числа. Для Д. в твёрдых телах характерна экспоненц. зависимость от темп-ры с энергией активации большей, чем у жидкостей. Коэф. Д. для цинка в медь возрастает в 10 14 раз при повышении темп-ры от 30 о C до 300 о C.

Микроскопич. теория Д. атомов, основанная на механизме перескоков по вакансиям, была развита Я. И. Френкелем . Замещение атомом кристалич. структуры вакансии связано с возможностью перехода его через потенц. барьер. Предполагается, что после перехода атома в вакансию он благодаря сильному взаимодействию его с соседними атомами успевает отдать часть энергии прежде, чем вернётся на своё прежнее место. Время пребывания данного атома в соседнем с вакансией узле равно

где - время порядка периода атомов кристаллич. структуры, соответствующих частоте акустич. спектра (~10 -13 с). Тогда коэф. самодиффузии будет иметь вид

где - энергия активации, а - постоянная решётки, U - энергия образования вакансии. Для разл. решёток W отличаются не очень сильно (напр., для свинца W 26 ккал/г*атом, для меди W 60 ккал/г*атом),а а и в ф-ле (12) могут сильно отличаться. Коэф. Д. в твёрдых телах можно оценить также с помощью теории Эйринга скоростей реакций, что приводит также к экспоненц. зависимости от темп-ры с энергией активации. Аналогичная теория была развита для Д. в неупорядоченных сплавах замещения, она позволила учесть влияние внедрённых атомов на самодиффузию металла, когда Д. уже не описывается одной экспонентой, т. к. на узлах с разл. конфигурацией атомов нужно преодолевать разл. потенц. барьеры. В том случае, когда Д. идёт путём обмена с вакансиями или одноврем. перемещения по замкнутому контуру, причём коэф. Д. компонент D 1 и D 2 различны, появляется результирующий поток вещества в направлении вещества с большим парциальным коэф. Д., пропорциональный (Киркендалла эффект).

Явление переноса нейтронов в конденсиров. среде, сопровождаемое многократным рассеянием, описывается кинетич. ур-нием, к-рое, вообще говоря, не сводится к ур-нию Д., однако диффузионное приближение оказывается часто полезным и при рассмотрении диффузии нейтронов .

При очень низких темп-pax в конденсиров. средах возможна квантовая диффузия атомов, к-рая определяется квантовым подбарьерным туннельным движением атомов, в отличие от классич. Д., к-рая определяется надбарьерными переходами атомов . Существ. отличие квантовой Д. состоит в том, что коэф. квантовой Д. отличен от нуля при стремлении темп-ры к нулю, его значение на мн. порядков больше, чем коэф. классич. Д. при тех же темп-рах.

Другие виды диффузий . К диффузионным процессам относят также нек-рые явления, не связанные с переносом частиц. Так, в оптике имеет место излучения в неоднородной среде при многократных процессах испускания и поглощения фотонов, к-рое наз. диффузией излучения , однако это явление существенно отлично от Д. частиц, т. к. ур-ние баланса для плотности потока фотонов описывается интегр. ур-нием, к-рое не сводится к дифференц. ур-нию Д. В спиновых системах в магн. поле возможен процесс выравнивания ср. магн. момента в пространстве под влиянием спин-спинового взаимодействия - спиновая диффузия .

Лит.: 1)Гроот С. де, Мазур П., Неравновесная , пер. с англ., M., 1964, гл. 11; 2) Xаазе Р., Термодинамика необратимых процессов, пер. с нем., M., 1967, гл. 4; 3) Чепмен С., Каулинг т., Математическая теория неоднородных газов, пер. с англ., M., 1960, гл. 10, 14; 4)Ферцигер Дж., Капер Г., Математическая теория процессов переноса в газах, пер. с англ., M., 1976; 5) Френкель Я. И., Кинетическая теория жидкостей. Л., 1975; 6) Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория газов и жидкостей, пер. с англ., M., 1961, гл. 9; 7) Грэй П., Кинетическая теория явлений переноса в простых жидкостях, в кн.: Физика простых жидкостей. Статистическая теория, пер. с англ., M., 1971; 8) Смирнов А. А., Молекулярно-кинетическая теория металлов, M., 1966, гл. 8; S )Андреев А. Ф., Лифшиц И. M., Квантовая теория дефектов в кристаллах, "ЖЭТФ", 1969, т. 56, с. 2057; 10) Каgan Yu., Кlingеr M. I., Theory of quantum diffusion of atoms in crystals, "J. Phys. C", 1974, v. 7, p. 2791; 11) Лифшиц E. M., Питаевский Л. П., Физическая кинетика, M., 1979, p11, 12; 12) Ландау Л. Д., Лифшиц E. M., Гидродинамика, 3 изд., M., 1986, p 59.

Д. П. Зубарев .

Описание физического явления диффузия. Скорость диффузии