Ev Kullanışlı Bilime başlayın. Özet: Konu: “Canlı ve cansız doğada yayılma Difüzyon nedir

Bilime başlayın. Özet: Konu: “Canlı ve cansız doğada yayılma Difüzyon nedir

Difüzyon Latince'den dağıtım veya etkileşim olarak çevrilmiştir. Difüzyon fizikte çok önemli bir kavramdır. Difüzyonun özü, bir maddenin bazı moleküllerinin diğerlerine nüfuz etmesidir. Karıştırma işlemi sırasında her iki maddenin konsantrasyonları kapladıkları hacme göre eşitlenir. Bir madde konsantrasyonun yüksek olduğu yerden konsantrasyonun düşük olduğu yere doğru hareket eder, bu nedenle konsantrasyonlar eşitlenir. Difüzyonun ne olduğunu düşündükten sonra bu olgunun ortaya çıkma oranını etkileyebilecek koşullara geçmeliyiz.

Difüzyonu etkileyen faktörler

Difüzyonun neye bağlı olduğunu anlamak için onu etkileyen faktörleri ele alalım.

Difüzyon sıcaklığa bağlıdır. Sıcaklık arttıkça difüzyon hızı da artacaktır çünkü sıcaklık arttıkça moleküllerin hareket hızı artacak yani moleküller daha hızlı karışacaktır. Bir maddenin toplanma durumu aynı zamanda difüzyonun neye bağlı olduğunu, yani difüzyon hızını da etkileyecektir. Termal difüzyon moleküllerin türüne bağlıdır. Örneğin, bir nesne metal ise, nesnenin sentetik bir malzemeden yapılmış olmasından farklı olarak termal difüzyon daha hızlı gerçekleşir. Katı maddeler arasındaki difüzyon çok yavaş gerçekleşir. Difüzyon doğada ve insan yaşamında büyük önem taşımaktadır.

Difüzyon örnekleri

Difüzyonun ne olduğunu daha iyi anlamak için örneklerle bakalım. Maddelerin molekülleri, toplanma durumları ne olursa olsun sürekli hareket halindedir. Bu nedenle difüzyon gazlarda meydana gelir, sıvılarda ve ayrıca katılar. Difüzyon gazların karıştırılmasıdır. En basit durumda bu, kokuların yayılmasıdır. Suya bir tür boya koyarsanız, bir süre sonra sıvının rengi eşit olacaktır. İki metal temas ederse, temas sınırında molekülleri karışır.

Yani difüzyon, bir maddenin moleküllerinin rastgele termal hareketleri sırasında karıştırılmasıdır.

giriiş

İnsan yakın ilişki içinde yaşar doğal çevre. Onu etkiler, değiştirir ve ihtiyaçlarına göre uyarlar, pratik faaliyetinde bir tür "ikinci" doğa, bir mikro ortam yaratır. Ve doğal olarak, maddi kültürün tamamen faydacı nesnelerini, bilim ve teknolojinin başarılarını kullanarak, kişi onlara karşı belirli bir tutum yaşar. Ve bu, dünyada bir insanın etrafında meydana gelen çeşitli fiziksel olaylara yönelik tutumdur.

Doğada meydana gelen süreçlerin fiziksel anlayışı sürekli gelişmektedir. Yeni keşiflerin çoğu kısa sürede teknoloji ve endüstride uygulama bulur. Ancak yeni araştırmalar sürekli olarak yeni gizemleri ortaya çıkarıyor ve açıklanması için yeni fiziksel teoriler gerektiren olguları keşfediyor. Muazzam miktarda birikmiş bilgiye rağmen, modern fizik hala tüm doğa olaylarını açıklamaktan çok uzaktır.

Bu çalışma spesifik olarak inceleyecek fiziksel olay- difüzyon. Her gün karşılaştığımız ve faydamız için kullandığımız pek çok şeye sahip olan fizikteki en önemli olgulardan biri.

Çalışmada difüzyonla ilgili 4 konu ele alınacaktır:

keşif tarihi;
fiziksel bir olgu olarak açıklama;
bu olgunun fiziksel anlamı;
insan yaşamında pratik uygulama.

1. Fiziksel fenomen difüzyonunun keşfinin tarihi

Robert Brown, sudaki çiçek poleni süspansiyonunu mikroskop altında gözlemlerken, parçacıkların "ne sıvının hareketinden ne de buharlaşmasından" kaynaklanan kaotik bir hareketini gözlemledi. Yalnızca mikroskop altında görülebilen, boyutu 1 µm veya daha küçük olan asılı parçacıklar, karmaşık zikzak yörüngeleri tanımlayan düzensiz bağımsız hareketler gerçekleştiriyordu. Brown hareketi zamanla zayıflamaz ve zamana bağlı değildir. kimyasal özelliklerçevre; yoğunluğu ortamın sıcaklığının artmasıyla ve viskozitesinin ve parçacık boyutunun azalmasıyla artar. Brown hareketinin nedenlerinin niteliksel bir açıklaması bile ancak 50 yıl sonra mümkün oldu; Brown hareketinin nedeni, içinde asılı duran bir parçacığın yüzeyindeki sıvı moleküllerin etkisiyle ilişkilendirilmeye başlandı.

Brown hareketinin ilk niceliksel teorisi 1905-06'da A. Einstein ve M. Smoluchowski tarafından ortaya atıldı. Moleküler kinetik teorisine dayanmaktadır. Brown parçacıklarının rastgele yürüyüşlerinin, içinde asılı kaldıkları ortamın molekülleri ile birlikte termal harekete katılımlarıyla ilişkili olduğu gösterilmiştir. Parçacıklar ortalama olarak aynı kinetik enerjiye sahiptir ancak kütleleri daha büyük olduğundan hızları daha düşüktür. Brown hareketi teorisi, bir parçacığın rastgele hareketlerini, moleküllerden gelen rastgele kuvvetlerin ve sürtünme kuvvetlerinin etkisiyle açıklar. Bu teoriye göre, bir sıvı veya gazın molekülleri sürekli termal hareket halindedir ve farklı moleküllerin darbeleri büyüklük ve yön bakımından aynı değildir. Böyle bir ortama yerleştirilen parçacığın yüzeyi Brownian parçacığında olduğu gibi küçükse, parçacığın kendisini çevreleyen moleküllerden aldığı etkiler tam olarak telafi edilmeyecektir. Bu nedenle, moleküllerin "bombardımanı" sonucunda Brown parçacığı rastgele harekete geçerek hızının büyüklüğünü ve yönünü yaklaşık 10 oranında değiştirir. 14 saniyede bir kez Bu teoriden şu sonuç çıktı: Bir parçacığın yer değiştirmesi ölçülerek belirli zaman Sıvının yarıçapını ve viskozitesini bilerek Avogadro sayısını hesaplayabilirsiniz.

Brown hareketi teorisinin sonuçları, 1906'da J. Perrin ve T. Svedberg tarafından yapılan ölçümlerle doğrulandı. Bu ilişkilere dayanarak Boltzmann sabiti ve Avogadro sabiti deneysel olarak belirlendi. (Avogadro sabiti N ile gösterilir A , bir maddenin 1 molündeki molekül veya atom sayısı, N A =6,022.1023mol -1; A. Avogadro'nun onuruna isim. Boltzmann sabiti, fiziksel sabit k, orana eşit evrensel gaz sabiti R'den Avogadro sayısı N'ye A : k=R/N A = 1,3807.10-23J/K. Adını L. Boltzmann'dan almıştır.)

Brownian hareketi gözlemlenirken parçacığın konumu düzenli aralıklarla kaydedilir. Zaman aralıkları ne kadar kısa olursa parçacığın yörüngesi o kadar kırık görünecektir.

Brown hareketinin yasaları, moleküler kinetik teorinin temel ilkelerinin açık bir şekilde doğrulanmasına hizmet eder. Sonunda maddenin termal hareket biçiminin, makroskobik cisimleri oluşturan atomların veya moleküllerin kaotik hareketinden kaynaklandığı tespit edildi.

Brown hareketi teorisi oynandı önemli rolİstatistiksel mekaniğin gerekçesinde, şuna dayanmaktadır: kinetik teorisi pıhtılaşma (karıştırma) sulu çözeltiler. Ayrıca Brown hareketi ölçüm cihazlarının doğruluğunu sınırlayan ana faktör olarak kabul edildiğinden metrolojide de pratik öneme sahiptir. Örneğin, bir ayna galvanometresinin okumalarının doğruluk sınırı, hava molekülleri tarafından bombardımana tutulan bir Brown parçacığı gibi, aynanın titreşimi tarafından belirlenir. Brownian hareket yasaları, elektrik devrelerinde gürültüye neden olan elektronların rastgele hareketini belirler. Dielektriklerdeki dielektrik kayıpları, dielektrikleri oluşturan dipol moleküllerinin rastgele hareketleriyle açıklanır. İyonların elektrolit çözeltilerdeki rastgele hareketleri elektriksel dirençlerini artırır.

Şekil 1 - Brown parçacıklarının yörüngeleri (Perrin deneyinin şeması); noktalar eşit zaman aralıklarında parçacıkların konumlarını işaretler

Dolayısıyla difüzyon veya Brown hareketi, 1827'de R. Brown tarafından keşfedilen, çevresel moleküllerin etkilerinin etkisi altında meydana gelen, bir sıvı veya gaz içinde asılı duran küçük parçacıkların rastgele hareketidir.

2. Fiziksel fenomen difüzyonunun tanımı

Difüzyon (Latince difüzyon - yayılma, yayılma, saçılma, etkileşim), bir maddenin moleküllerinin diğerinin molekülleri arasına karşılıklı nüfuz etmesi sürecidir ve işgal edilen hacim boyunca konsantrasyonlarının kendiliğinden eşitlenmesine yol açar. Bazı durumlarda, maddelerden birinin zaten eşitlenmiş bir konsantrasyonu vardır ve bir maddenin diğerindeki difüzyonundan söz ederler. Bu durumda madde yüksek konsantrasyonlu bir alandan düşük konsantrasyonlu bir alana (konsantrasyon gradyanına karşı) aktarılır.

Difüzyona bir örnek, gazların (örneğin, kokuların yayılması) veya sıvıların (mürekkep suya damlatılırsa, sıvı bir süre sonra eşit şekilde renklenecektir) karıştırılmasıdır. Başka bir örnek katılarla ilgilidir: temas halindeki metal atomları, parçacık difüzyonu plazma fiziğinde rol oynar.

Genellikle difüzyon, maddenin transferinin eşlik ettiği süreçler olarak anlaşılır, ancak bazen diğer transfer süreçlerine de difüzyon denir: termal iletkenlik, viskoz sürtünme vb.

Difüzyon hızı birçok faktöre bağlıdır. Böylece metal çubuk durumunda termal difüzyon çok hızlı gerçekleşir. Çubuk sentetik bir malzemeden yapılmışsa termal difüzyon yavaş gerçekleşir. Genel durumda moleküllerin difüzyonu daha da yavaş ilerler. Örneğin bir bardak suyun dibine bir parça şeker konur ve su karıştırılmazsa çözeltinin homojen hale gelmesi birkaç hafta alacaktır. Birinin difüzyonu daha da yavaş gerçekleşir sağlam diğerine. Örneğin bakır altınla kaplanırsa altının bakıra difüzyonu meydana gelecektir, ancak normal koşullar altında ( oda sıcaklığı ve atmosferik basınç) altın içeren katman ancak birkaç bin yıl sonra birkaç mikron kalınlığa ulaşacaktır.

3. Fiziksel anlam difüzyon fenomeni

Her türlü yayılma aynı yasalara tabidir. Difüzyon hızı, numunenin kesit alanıyla ve ayrıca konsantrasyon, sıcaklık veya yüklerdeki farkla (bu parametrelerin nispeten küçük değerleri durumunda) orantılıdır. Böylece ısı, çapı iki santimetre olan bir çubukta, bir santimetre çapındaki bir çubuğa göre dört kat daha hızlı yayılacaktır. Santimetre başına sıcaklık farkı 5°C yerine 10°C olursa bu ısı daha hızlı yayılır. Difüzyon hızı aynı zamanda belirli bir malzemeyi karakterize eden parametreyle de orantılıdır. Termal difüzyon durumunda bu parametreye termal iletkenlik denir; elektrik yüklerinin akışı durumunda buna elektriksel iletkenlik denir. Belirli bir sürede yayılan madde miktarı ve yayılan maddenin kat ettiği mesafe orantılıdır karekök difüzyon süresi.

Difüzyon moleküler düzeyde bir süreçtir ve bireysel moleküllerin hareketinin rastgele doğasıyla belirlenir. Bu nedenle difüzyon hızı moleküllerin ortalama hızıyla orantılıdır. Gazlarda küçük moleküllerin ortalama hızı daha büyüktür, yani molekül kütlesinin kareköküyle ters orantılıdır ve artan sıcaklıkla birlikte artar. Yüksek sıcaklıklarda katılarda difüzyon işlemleri sıklıkla pratik uygulama alanı bulur. Örneğin, bazı katot ışın tüpleri (CRT'ler) 2000°C'de tungsten metali içinden yayılan toryum metalini kullanır.

Bir gaz karışımında bir molekülün kütlesi diğerinden dört kat daha büyükse, bu durumda böyle bir molekül, saf gazdaki hareketinden iki kat daha yavaş hareket eder. Buna bağlı olarak yayılma hızı da daha düşüktür. Hafif ve ağır moleküllerin difüzyon hızlarındaki bu fark, farklı molekül ağırlıklarına sahip maddeleri ayırmak için kullanılır. Bir örnek izotopların ayrılmasıdır. İki izotop içeren bir gaz gözenekli bir zardan geçirilirse, daha hafif izotoplar zardan daha ağır olanlardan daha hızlı geçer. Daha iyi ayırma için işlem birkaç aşamada gerçekleştirilir. Bu işlem, uranyum izotoplarını ayırmak için yaygın olarak kullanılmaktadır (235U'nun yığın 238U'dan ayrılması). Bu ayırma yöntemi çok fazla enerji gerektirdiğinden, daha ekonomik olan başka ayırma yöntemleri geliştirilmiştir. Örneğin, gaz ortamında termal difüzyonun kullanımı yaygın olarak geliştirilmiştir. İzotop karışımı içeren bir gaz, uzaysal sıcaklık farkının (gradyan) muhafaza edildiği bir odaya yerleştirilir. Bu durumda ağır izotoplar zamanla soğuk bölgede yoğunlaşır.

Fick'in denklemi.

Termodinamiğin bakış açısından, herhangi bir tesviye işleminin itici potansiyeli entropideki artıştır. Sabit basınç ve sıcaklıkta, bu tür bir potansiyelin rolü, madde akışının korunmasını belirleyen kimyasal potansiyel µ'dir. Madde parçacıklarının akışı potansiyel gradyanla orantılıdır:

Çoğu pratik durumda, kimyasal potansiyel yerine C konsantrasyonu kullanılır. Kimyasal potansiyel logaritmik yasaya göre konsantrasyonla ilişkili olduğundan, yüksek konsantrasyonlarda μ'nun doğrudan C ile değiştirilmesi yanlış olur. Bu gibi durumları dikkate almazsak yukarıdaki formül aşağıdakiyle değiştirilebilir:

bu da madde akı yoğunluğunun J olduğunu gösterir ] difüzyon katsayısı D ile orantılıdır [( )] ve konsantrasyon gradyanı. Bu denklem Fick'in birinci yasasını ifade etmektedir (Adolph Fick, 1855'te difüzyon yasalarını kuran Alman fizyologdur). Fick'in ikinci yasası konsantrasyondaki uzaysal ve zamansal değişiklikleri ilişkilendirir (difüzyon denklemi):

Difüzyon katsayısı D sıcaklığa bağlıdır. Geniş bir sıcaklık aralığında bazı durumlarda bu bağımlılık Arrhenius denklemini temsil eder.

Kimyasal potansiyel gradyanına paralel olarak uygulanan ilave bir alan, kararlı durumu bozar. Bu durumda difüzyon süreçleri doğrusal olmayan Fokker-Planck denklemi ile tanımlanır. Difüzyon süreçleri büyük değer doğada:

hayvan ve bitkilerin beslenmesi, solunumu;

oksijenin kandan insan dokularına nüfuz etmesi.

Fick denkleminin geometrik açıklaması.

İkinci Fick denkleminde, sol tarafta sıcaklığın zamana göre değişim oranı, denklemin sağ tarafında ise sıcaklıkların mekansal dağılımını, özellikle sıcaklığın dışbükeyliğini ifade eden ikinci kısmi türev yer almaktadır. x eksenine yansıtılan dağıtım fonksiyonu.

4. Pratik Uygulama insan yaşamında fiziksel fenomenin yayılması

difüzyon Brown membranı avogadro

Ezilmiş katı malzemeden çözünebilir maddeleri çıkarmak için bir difüzyon aparatı kullanılır. Bu tür cihazlar, suyla birlikte ısıtılan pancar cipslerinden şeker suyu elde etmek için kullanıldığı esas olarak pancar şekeri üretiminde yaygındır.

Çalışmada önemli rol nükleer reaktörler Nötron difüzyonu, yani nötronların madde içinde yayılması, atom çekirdekleriyle çarpışmalar sonucu hareketlerinin yönü ve hızında çok sayıda değişiklik eşliğinde oynanır. Nötronların bir ortamdaki difüzyonu, gazlardaki atom ve moleküllerin difüzyonuna benzer ve aynı yasalara tabidir.

Yarı iletkenlerdeki taşıyıcıların difüzyonu sonucunda bir elektrik akımı ortaya çıkar. Yarı iletkenlerdeki yük taşıyıcılarının hareketi, konsantrasyonlarının heterojenliğinden kaynaklanmaktadır. Örneğin yarı iletken bir diyot oluşturmak için indiyum, germanyumun yüzeylerinden birine kaynaştırılır. İndiyum atomlarının germanyum tek kristalinin derinliklerine yayılması nedeniyle, içinde minimum dirençle önemli bir akımın akabileceği bir p-n bağlantısı oluşur.

Metalleştirme işlemi, metalize malzemenin özelliklerinden farklı fiziksel, kimyasal ve mekanik özellikler kazandırmak için bir ürünün yüzeyini bir metal veya alaşım tabakasıyla kaplayan difüzyon olgusuna dayanır. Ürünleri korozyondan, aşınmadan korumak, kontak elektrik iletkenliğini arttırmak ve dekoratif amaçlı olarak, dolayısıyla çelik parçaların sertliğini ve ısı direncini arttırmak için karbürizasyon kullanılır. Çelik parçaların termal fırına yerleştirilmiş grafit tozu içeren bir kutuya yerleştirilmesinden oluşur. Difüzyon nedeniyle karbon atomları parçaların yüzey katmanına nüfuz eder. Penetrasyon derinliği, parçaların termal fırında tutulma süresine ve sıcaklığına bağlıdır.

Difüzyon hafif endüstride de yaygındır.

Çözüm

Difüzyon veya Brown hareketi, 1827'de R. Brown tarafından keşfedilen, çevresel moleküllerin etkilerinin etkisi altında meydana gelen, bir sıvı veya gaz içinde asılı duran küçük parçacıkların rastgele hareketidir.

Fiziksel bir fenomen açısından bakıldığında difüzyon, bir maddenin moleküllerinin diğerinin molekülleri arasına karşılıklı nüfuz etmesi sürecidir ve işgal edilen hacim boyunca konsantrasyonlarının kendiliğinden eşitlenmesine yol açar. Bazı durumlarda, maddelerden birinin zaten eşitlenmiş bir konsantrasyonu vardır ve bir maddenin diğerindeki difüzyonundan söz ederler. Bu durumda, bir maddenin yüksek konsantrasyonlu bir alandan düşük konsantrasyonlu bir alana (konsantrasyon gradyanına karşı) transferi meydana gelir.

Difüzyonun geniş uygulamaları vardır günlük yaşam Hafiften ağıra kadar tüm endüstrilerde pratik olarak kullanılmaktadır.

Referanslar

1. Koshkin I.I., Shirkevich M.G. Temel fizik el kitabı. - M.: Nauka, 1980.

2.Trofimova T.I. - M.: Yüksek Lisans, 1990.

3.Yavorsky B.M., Detlaf A.A. Fizik El Kitabı. - M.: Nauka, 1985.

Bu yayılma türlerinin tümü aynı fenomenolojik ilkelerle tanımlanır. oranlar.
Temel kavramlar. Ana karakteristik Difüzyon, difüzyon akışının yoğunluğu J ile belirlenir - transfer yönüne dik bir birim yüzey alanı boyunca birim zamanda aktarılan maddelerin sayısı. Sıcaklık değişimlerinin olmadığı bir ortamda ise elektrik. potansiyel vb. için, t zamanında, daha sonra istirahat halindeki izotropik bir ortamda x yönünde (tek boyutlu durum) birim uzunluk başına değişimini karakterize eden bir c (x, t) gradyanı vardır.

J = - D(ds/dx), (1)

burada D difüzyon katsayısıdır (m2/s); Eksi işareti akışın büyükten küçüğe doğru yönünü gösterir. Uzay-zamansal dağılım:

Seviye (1) ve (2) denir. Fick'in birinci ve ikinci yasaları. Üç boyutlu difüzyon [(x, y, z; t) ile] aşağıdaki denklemlerle tanımlanır:

J = - D dereceli c (3)

burada J difüzyon akı yoğunluğudur, grad ise alan gradyanıdır. Parçacıkların ortamdaki transferi, rastgele hareketlerinin bir dizisi ve abs olarak gerçekleştirilir. her birinin büyüklüğü ve yönü öncekilere bağlı değildir. Her parçacığın ortamındaki difüzyon hareketi genellikle t süresi boyunca başlangıç konumundan L2'nin ortalama karekökünün yer değiştirmesi ile karakterize edilir. İçin üç boyutlu uzay Einstein'ın ilk bağıntısı geçerlidir: L 2 = GDt. Böylece, D parametresi ortamın parçacıklar üzerindeki etkisinin etkinliğini karakterize eder. Gradyanların ve t-ry'nin (izobarik-izotermal difüzyon) yokluğunda çok bileşenli karışımlarda difüzyon durumunda, gradyanların varlığında bileşenlerin karşılıklı nüfuzunun açıklamasını basitleştirmek için bunlar sözde tanıtılır. karşılıklı difüzyon katsayıları. Örneğin, iki bileşenli bir sistemde tek boyutlu difüzyonla, bileşenlerden birinin difüzyon akısı ifadesi şu şekli alır:

burada c 1 + c 2 = sabit, D 12 = D 21 - katsayı. Her iki bileşenin karşılıklı difüzyonu. Sıcaklık gradyanının etkisi altında ortamın eşit olmayan şekilde ısıtılmasının bir sonucu olarak, gaz bileşenlerinin transferi veya termal difüzyon meydana gelir (çözeltilerde - Soret etkisi). Eğer bir sabit fark t-r, daha sonra termal difüzyon nedeniyle, karışımın hacminde sıradan difüzyonu başlatan bileşen gradyanları belirir. İkincisi sabit bir durumda (su akışının yokluğunda) termal difüzyonu dengeler ve sistemde bileşenlerde bir fark ortaya çıkar. Bu etki, petrol fraksiyonlarından birinin temelini oluşturur. Harici ile Gradyan veya yerçekimi sistemi üzerindeki etki. alanda barodifüzyon meydana gelir. Örnekler: küçük asılı parçacıkların çarpıştıklarında difüzyonu (bkz.); baromembran süreçleri -, mikro- ve (bkz.). Dış sistem üzerindeki etkisi. elektrik alanlar yüklü parçacıkların yönlendirilmiş transferine neden olur - . Örnekler: elektromembran işlemleri, örneğin elektriğin etkisi altında ayırma. mevcut iyonize bağlantılar seçim nedeniyle aracılığıyla aktarın; yük difüzyonu - homojenliklerinden dolayı iletkenliğin ve deliklerin hareketi. Matematiksel olarak Fick yasaları Fourier denklemlerine benzer. Bu benzetme dayanmaktadır genel desenler durumun (, t-ry, vb.) farklılar arasında yeniden dağıtılmasının geri dönüşü olmayan süreçleri. k.-l'nin parçaları. sistem termodinamiğe yöneldiğinde. . Sistemin kendisinden küçük sapmaları için bu modeller, fiziksel akışlar arasındaki doğrusal ilişkilerle tanımlanır. miktarlar ve termodinamik. kuvvetler, yani belirtilen sapmalara neden olan parametre değişimleri. Özellikle, her tipteki parçacıkların gradyanlarına ek olarak belirli bir türdeki parçacıkların difüzyon akışı, uygun koşullar altında, diğer ve harici parçacıkların gradyanları ile daha büyük ölçüde belirlenebilir. kuvvetler. Genel anlamda akışlar ve kuvvetler arasındaki bağlantı fenomenolojik olarak tanımlanır. ur-niyami. Örneğin, elektriksel olarak nötr ikili durumunda gaz sistemi bir sıcaklık gradyanı dT/dx, bir gradyan dr/dx ve bir elektriksel gradyan varlığında. potansiyel d J Parçacıkların difüzyon akısı için /dx ifadesi Tek boyutlu durumda q i yükü şu şekli alır:

burada c, birim hacim başına karışımın toplam parçacık sayısıdır; n ben = c i /c -göreceli. i'inci bileşenin parçacıklarının fraksiyonu (i = 1, 2); D p , D T - katsayısı. baro ve termal difüzyon; M i = q i D/kТ (Nernst-Einstein ilişkisi) - 1. bileşenin parçacıklarının elektrikteki hareketliliği. alan; k-; T - abs. t-ra. Örneğin, sabit ve harici olmayan ikili bir gaz karışımında toplam difüzyon akışını zorlar

Akışın olmadığı durumda (J = 0), dağılım aşağıdaki formüle göre bulunur:

burada k T = D T /D 12. Katsayı. D T anlamında. derecesi moleküller arası etkileşime bağlıdır, bu nedenle çalışması moleküller arası kuvvetlerin çeşitli türlerde incelenmesini mümkün kılar. ortamlar Toprakta eşit olmayan şekilde dağılmış yabancı madde parçacıklarının (safsızlıklar) difüzyon transferi ile eş zamanlı olarak. çevre, kendi kendine difüzyon meydana gelir - çevrenin kendisinin parçacıklarının rastgele hareketi, kimyasal. kesimin bileşimi değişmez. Bu süreç, sistemde termodinamiğin yokluğunda bile gözlenir. D'nin, katsayı adı verilen Dc parametresi ile değiştirildiği Fick denklemleriyle tanımlanan kuvvetler. kendi kendine difüzyon. Kendiliğinden yayılma etkileri, aynı maddenin iki cilalı örneğinin içinden bir elektrik akımı geçtiğinde birleşmesine yol açabilir. akım, onlardan asılı bir yükün etkisi altında cisimlerin gerilmesine (malzemelerin yayılma sürünmesi), vb. Birinin akışına karşılıklı difüzyonla, eğer telafi edilmezse, ters yönde giden diğerinin akışını aşabilir. boş pozisyonlar (ve muhtemelen tazminatsız olanlar için) giderler var. Bu durumda, kristal stabilitesinin ihlaline yol açan gözenekler ortaya çıkar. ızgaralar kürk gibidir. sistem ve sonuç olarak kristalin yer değiştirmesi. bir bütün olarak düzlemler (Kirkindahl etkisi). Özellikle ikili metaliklerde karşılıklı difüzyonla. sistemlerde, örneğin birkaç çapında Mo veya W'den yapılmış ince refrakter teller gibi "atıl" işaretlerin hareketi gözlenir. difüzyon bölgesine mikronlar verilir. Ayrışmada difüzyon kütle aktarım hızı. Malzemelerde veya malzemelerde bazen bunların geçirgenliğini karakterize etmek uygun olur P = D g, nerede g - Aktarılan bileşenin denge pH'ını belirleyen Henry. Özellikle, bölme boyunca yayılan sabit bir akış için ifade. bölme () kalınlığı d şu şekildedir: J = П gD р/ d, burada D p, bölmenin her iki tarafındaki gaz karışımının kısmen ayrılmış bileşenleri arasındaki farktır. Katsayı. gazlı ve yoğunlaştırılmış (sıvı ve katı) ortamlar için difüzyon önemli ölçüde farklılık gösterir: maks. hızlı parçacık transferi meydana gelir (D 10 mertebesinde) - Normal sıcaklıklarda 4 m 2 / s ve), daha yavaş - (yaklaşık 10 - 9), daha da yavaş - (yaklaşık 10 - 12). Bu sonuçları moleküler difüzyon örneklerini kullanarak açıklayalım.
Gazlı ortamda difüzyon. D'yi tahmin etmek için serbest uzunluk, parçacıkların karakteristik (ortalama) yer değiştirmesi olarak alınır. kilometre l = sen t , nerede ve ve t - parçacıkların ortalama hareket hızı ve çarpışmaları arasındaki süre. Einstein'ın ilk bağıntısı uyarınca D~l 2 t-1 ; daha doğrusu D = 1/3 lu. Katsayı. l ~ 1/p olduğundan difüzyon p ile ters orantılıdır; artan sıcaklık T ile (sabit hacimde) D T 1/2 ile orantılı olarak artar çünkü ; artan mol ile. D kütlesi azalır. Kinetiğe göre teori, katsayı A ve B'nin ikili bir karışımda karşılıklı difüzyonu (Tablo 1)

burada p sistemdeki toplamdır, t A ve t B kütlelerdir, A ve s B - parametreler (örneğin bakınız).

Harika pratik İlgi çekici olan, gözenekler yoluyla aktarımdır. Nispeten küçük gözenek boyutları için (r 0), gözenek duvarlarıyla çarpışmaların sıklığı karşılıklı çarpışmaların sıklığını aştığında; ortalama uzunluk onların özgürlüğü l >> r 0 komutunu çalıştırın (r 0'da normal için)< 10 - 7 m), sözde Knudsen difüzyonu. Bu durumda gözenekli bölmeden geçen gaz akışı ortalama hızla orantılıdır ve aşağıdaki denklemle belirlenir:

burada Ns bölmedeki gözeneklerin yüzey yoğunluğudur. Ortalama hız, kütlelerinin karekökü ile ters orantılı olduğundan, ayrılan gaz karışımının bileşenleri, ayrışmayla birlikte gözeneklerden nüfuz eder. hızlar; Sonuç olarak bölmeden geçen karışım daha hafif bileşenlerle zenginleştirilir. Bu tür gözenekli sistemlerin artmasıyla gözenek duvarlarında adsorbe edilen yüzey alanı artar. Ortaya çıkan adsorbe. katman hareketli olabilir ve gözenek yüzeyi boyunca hareket edebilir, bunun sonucunda hacimsel difüzyon transferine paralel olarak yüzey difüzyonu da mümkündür. İkincisi bazen yaratıkları işler. Kimyasalların kinetiği üzerindeki etkisi. etkileşim sisteminde dengesiz bir dağılıma neden olan dönüşümler. .
Yoğun maddede difüzyon. B ve difüzyon, parçacıkların bir kararlı konumdan diğerine sıçramasıyla gerçekleştirilir, aralarındaki mesafe moleküller arası düzeydedir. Bu tür sıçramalar, her parçacığın yakın çevresinin yerel olarak yeniden düzenlenmesini gerektirir (yeniden düzenleme olasılığı şu şekilde karakterize edilir: D S) ve bu alanda belirli miktarda termal enerjinin E D (difüzyon) rastgele birikmesi. Atlamanın ardından her parçacık kendisini enerji açısından uygun yeni bir konumda bulur ve açığa çıkan enerji ortamda dağılır. Bu durumda D = D 0 exp(- E D /RT), burada D 0 = n exp (D S/R), ortamın “termal şoklarının” sıklığına bağlı bir entropi faktörüdür ( n ~ 10 12 s - 1), R - . Parçacıkların difüzyon hareketi, viskoz özelliklerine, parçacık boyutlarına göre belirlenir ve sözde ile karakterize edilir. hareketlilik( ~ D/kT buradan D ~ ( kT (Einstein'ın ikinci ilişkisi). Parametre(- katsayı parçacığın hızı ile itici güç arasındaki orantı sabit hareket sırasında F kuvveti (u =(F). Örneğin, yarıçapı olan küresel simetrik parçacıklar durumunda( = 1/6 p r h (T), Stokes-Einstein denklemi geçerlidir: D = kT/6 p r h (T), burada h (T) - katsayısı dinamik t-ry'nin bir fonksiyonu olarak çevre. Artan sıcaklıkla birlikte D'deki artış, ısıtma sonrasında paketleme yoğunluklarındaki bir azalma (“yapının gevşemesi”) ile açıklanmaktadır. ve sonuç olarak birim zaman başına parçacık sıçramalarının sayısında bir artış. Katsayı. yayılma farklı giriş tabloda verilmiştir. 2 ve 3; E D ~ 20-40 kJ/'nin karakteristik değerleri.

Katsayı. katı organizasyonda difüzyon. bedenlerin araçları vardır. dağılım, bazı durumlarda karşılık gelen parametrelerle karşılaştırılabilir değerlere ulaşır. Naib. İlgi çekici olan difüzyondur. Katsayı. içlerindeki difüzyon (Tablo 4), yayılanların boyutuna, etkileşimin özelliklerine bağlıdır. parçalar halinde, polimer zincirlerinin hareketliliği, serbest. hacim (gerçek hacim ile yoğun paketlenmiş olanların toplam hacmi arasındaki fark) ve yapısının heterojenliği.

Sıcaklığın üzerindeki sıcaklıklarda yüksek D değerleri, bu koşullar altında parçaların yüksek hareketliliğinden kaynaklanır ve bu da serbest parçacıkların yeniden dağılımına yol açar. hacim ve solunum artırmak D S ve E D'yi azaltın. Camsı geçiş sıcaklığı katsayısının altındaki sıcaklıklarda. difüzyon genellikle daha küçük değerlerdir. Difüzyon sırasında D değerleri, plastikleştirme etkisinden dolayı çözünen bileşenlere bağlı olabilir. Katsayı. anlamında difüzyon. dereceler nem içeriklerine göre belirlenir (bir iyonojenik başına ortalama sayı n) grup). Yüksek nem içeriğinde (n > 15) katsayısı. difüzyonlar in için karşılık gelen D ile karşılaştırılabilir (bkz. Tablo 5 ve 3). n'de< 10 коэф. диффузии экспоненциально снижаются с уменьшением п.

Sağlam inorg'da. paylaşımın serbest olduğu kuruluşlar. kristal titreşimlerin hacmi ve genliği. kafesler önemsizdir, difüzyon, imalat, ısıtma ve diğer etkiler sırasında ortaya çıkan yapılarındaki bozuklukların varlığından (bkz.) kaynaklanmaktadır. Aynı zamanda olabilir birkaçı hayata geçirildi. difüzyon mekanizmaları: eş zamanlı döngüsel olarak yer değişimi ve iki komşunun yer değişimi. birkaç kez hareket etmek , düğümler arası hareketleri vb. İlk mekanizma, örneğin katı değiştirme çözümlerinin oluşumunda, ikincisi - katı uygulama çözümlerinin oluşumunda baskındır.

Maddi dünyanın herhangi bir nesnesi veya maddesi çok küçük moleküllerden oluşur ve sürekli hareket halindedirler. Günlük yaşamda, belirli maddelerin, sıvıların veya gazların karıştırılma sürecini sıklıkla gözlemleriz - örneğin, kahvenin suda nasıl çözüldüğünü görürüz, kokunun odaya nasıl yayıldığını hissederiz vb. Fiziksel olarak, bu işlemlere tam olarak iki maddenin moleküllerinin karıştırılması neden olur ve bu tür bir karışıma denir. yayılma.

Difüzyon – neden oluyor ve nasıl bir şey?

Ortam sıcaklığı mutlak sıfırın üzerinde olduğunda, yani Dünya üzerindeki her türlü koşulda, madde molekülleri sürekli olarak düzensiz hareket eder, uzayda hareket eder, çarpışır ve yön değiştirir. Bunun nedeni, doğadaki her şeyin denge için çabalamasıdır.

Odanın bir köşesinde herhangi bir molekülün yüksek konsantrasyonu varsa gaz halindeki madde, o zaman bu moleküller boş alana nüfuz etme eğiliminde olacaktır. Ve iki sıvının molekülleri, onları aynı anda bir bardağa dökerseniz, mevcut tüm alanı kaplamaya çalışacak ve buna göre karışacaklar.

Difüzyon, dış etkiler ve artan sıcaklık nedeniyle daha da hızlanır; yüksek sıcaklıklarda süreç daha hızlı gerçekleşir.

Cisimlerin difüzyonu ve toplanma durumları

Karıştırma işlemi, hangi toplanma durumunda olursa olsun, hemen hemen her cisim ve maddenin molekülleri arasında meydana gelir. Ancak elbette durum yayılma hızını etkiler.

Gaz molekülleri birbirleriyle en hızlı karışır. Bu olguyu her gün oda spreyi kullanarak veya ocakta akşam yemeği hazırlarken gözlemliyoruz; kokular anında odaya yayılıyor.
Sıvılar gazlardan daha yavaş karışır ama yine de hızlıdır. Örneğin soğuk süt sıcak kahvede birkaç dakika içinde çözülür, ancak karıştırıldığında çok daha hızlı çözülür. Okulda, fizik dersleri sırasında öğrencilere bakır sülfatla bir deney gösterilir - suya mavi bir sıvı eklenir ve birkaç gün sonra çözelti tekdüze mavimsi bir renk alır.
Difüzyon en yavaş katılarda meydana gelir. Ancak süreç hala devam ediyor ve bu durum deneylerle defalarca kanıtlandı. Örneğin, iki metal çubuğu üst üste koyarsanız ve bunları sıkıca bastırırsanız, birkaç yıl sonra aralarında her iki metalin moleküllerinin birbirine karışacağı ince bir tabaka oluşacaktır. Yumuşak metallerin difüzyonu daha hızlı, sert metallerin difüzyonu ise çok daha yavaş gerçekleşir.

Fizikte difüzyon kavramının ne anlama geldiğini tanımlamamız gerekiyor.

Difüzyon

Bu kavram bize Latin dilinden gelmiştir ve çeviride “difüzyon” kelimesi yayılma, yayılma anlamına gelmektedir. Çeviriden de anlaşılabileceği gibi difüzyon terimi, çeşitli faktörlerin etkisi altında bir maddenin parçacıklarının başka bir maddeye karşılıklı nüfuz etmesi anlamına gelir.

Bu süreç, söz konusu maddelerin moleküllerinin hareketinden kaynaklanır. Ve difüzyonun en çarpıcı örneği çeşitli gazların karıştırılmasıdır.

Bu süreçlerin hızı, her şeyden önce, söz konusu maddelerin toplanma durumu gibi bir faktöre bağlı olabilir. Yani, anlayabileceğimiz gibi, sıvı ve gazlarda bu işlem, örneğin katılara göre çok daha az zaman alacaktır.

Ayrıca bu reaksiyonun hızı maddelerin sıcaklığına da bağlıdır. Sıcaklık arttıkça moleküllerin hareket hızının arttığını ve dolayısıyla bir vücuttaki moleküllerin diğerine karışma ve nüfuz etme hızının daha fazla olacağını biliyoruz.

Difüzyon hızını etkileyen bir diğer faktör ise basınçtır. Bu fenomen maddeler üzerinde en karmaşık etkiye sahiptir. Yani bu mekanizma, maddelerin hacmini, atomlardaki serbest boşlukların sayısını azaltır ve ara atomların içeriğini arttırır.

Difüzyon türleri

Difüzyon, söz konusu maddelerin toplam durumlarına bağlı olarak çeşitli türlere ayrılır:

gaz difüzyonu;
sıvıların difüzyonu;
plazma difüzyonu;
kristal difüzyonu;
katıların difüzyonu.