Aloitetaan siitä, että neste on aggregoitumisen välitila. Kriittisessä kiehumispisteessä se on samanlainen kuin kaasut, ja matalissa lämpötiloissa ilmenee kiinteän aineen k altaisia ominaisuuksia. Nesteellä ei ole ihanteellista mallia, mikä vaikeuttaa merkittävästi sen tasapainon termodynaamisten ominaisuuksien, jäätymispisteen, viskositeetin, diffuusion, lämmönjohtavuuden, pintajännityksen, entropian, entalpian kuvausta.
Määritelmä
Mitä diffuusio on? Tämä on väliaineen hiukkasten leviämistä, jakautumista, liikkumista, mikä johtaa aineen siirtymiseen, tasapainopitoisuuksien muodostumiseen. Ulkoisten vaikutusten puuttuessa tämän prosessin määrää hiukkasten lämpöliike. Tässä tapauksessa diffuusioprosessi on suoraan verrannollinen pitoisuuteen. Diffuusiovuo muuttuu samalla tavalla kuin pitoisuusgradientti.
Lajikkeet
Jos diffuusio nesteessä etenee lämpötilan muutoksen myötä, sitä kutsutaan lämpödiffuusioksi, sähkökentässä - sähködiffuusio.
Nesteessä tai kaasussa olevien suurten hiukkasten liikkumisprosessi tapahtuu allaBrownin liikkeen lait.
Vuoron ominaisuudet
Diffuusio kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa etenee eri nopeuksilla. Hiukkasten lämpöliikkeen luonteen erojen vuoksi eri väliaineissa prosessin suurin nopeus on kaasuissa ja pienin - kiintoaineissa.
Hiukkasen liikerata on katkoviiva, koska suunta ja nopeus muuttuvat ajoittain. Epäjärjestyneestä liikkeestä johtuen hiukkasen asteittainen poistuminen alkuperäisestä paikastaan havaitaan. Sen siirtymä suoraa linjaa pitkin on paljon lyhyempi kuin polku, joka tapahtuu katkottua polkua pitkin.
Fickin laki
Diffuusio nesteessä noudattaa kahta Fickin lakia:
- diffuusiovuon tiheys on suoraan verrannollinen pitoisuuteen diffuusiokertoimella;
- Diffuusiovuon tiheyden muutosnopeus on suoraan verrannollinen pitoisuuden muutosnopeuteen ja sillä on päinvastainen suunta.
Diffuusioon nesteessä on ominaista molekyylien hyppyjä tasapainoasennosta toiseen. Jokainen tällainen hyppy havaitaan, kun molekyyliin välitetään energiaa riittävässä määrässä sidoksen katkaisemiseksi muiden hiukkasten kanssa. Keskimääräinen hyppy ei ylitä molekyylien välistä etäisyyttä.
Keskustellessa mitä diffuusio nesteessä on, huomaamme, että prosessi riippuu lämpötilasta. Sen lisääntymisen myötä tapahtuu nesterakenteen "löystymistä", jonka seurauksena on jyrkkä kasvuhyppyjen määrä aikayksikköä kohti.
Diffuusiolla kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa on joitain erityispiirteitä. Esimerkiksi kiinteissä aineissa mekanismi liittyy atomien liikkeeseen kidehilassa.
Ilmiön piirteet
Diffuusio nesteessä on käytännön kiinnostavaa, koska siihen liittyy aineen pitoisuuden tasaantuminen alun perin epähomogeenisessa väliaineessa. Huomattavasti enemmän hiukkasia karkaa alueilta, joilla on korkea pitoisuus.
Kokeilut
Nesteillä tehdyt kokeet ovat osoittaneet, että diffuusio on erityisen tärkeä kemiallisessa kinetiikassa. Reagenssien tai katalyytin pinnalla tapahtuvan kemiallisen prosessin aikana tämä prosessi myötävaikuttaa reaktiotuotteiden poistumisnopeuden määrittämiseen ja alkureagenssien lisäämiseen.
Mikä selittää diffuusion nesteissä? Liuotinmolekyylit pystyvät tunkeutumaan läpikuultavien kalvojen läpi, mikä johtaa osmoottiseen paineeseen. Tätä ilmiötä on käytetty kemiallisissa ja fysikaalisissa menetelmissä aineiden erottamiseksi.
Biologiset järjestelmät
Tässä tapauksessa diffuusiomalleja voidaan tarkastella esimerkiksi ilman hapen keuhkoihin pääsystä, ruoansulatustuotteiden imeytymisestä suolesta vereen, mineraalielementtien imeytymisestä juurikarvojen kautta. Ionien diffuusio tapahtuu lihas- ja hermosolujen biosähköisten impulssien tuottamana.
Fyysinen tekijä, joka vaikuttaatiettyjen elementtien kehon soluihin kertymisen selektiivisyys on ionien erilainen tunkeutumisnopeus solukalvojen läpi. Tämä prosessi voidaan ilmaista Fickin lailla, joka korvaa diffuusiokertoimen arvon kalvon läpäisevyydellä ja käyttää pitoisuusgradientin sijaan arvojen eroa kalvon molemmilla puolilla. Veden ja kaasujen diffuusiotunkeutuessa soluun osmoottisen paineen ilmaisimet solun ulkopuolella ja sisällä muuttuvat.
Analysoitaessa, mistä diffuusio riippuu, huomaamme, että tätä prosessia on useita tyyppejä. Yksinkertainen muoto liittyy ionien ja molekyylien vapaaseen siirtymiseen kohti niiden sähkökemiallisen potentiaalin gradienttia. Tämä vaihtoehto sopii esimerkiksi niille aineille, joissa molekyylit ovat pienikokoisia, esim. metyylialkoholi, vesi.
Rajoitettu muunnelma olettaa heikon aineen siirron. Esimerkiksi pienetkään hiukkaset eivät voi tunkeutua soluun.
Historiasivut
Diffuusio löydettiin antiikin kreikkalaisen kulttuurin kukoistusaikoina. Demokritos ja Anaxogoras olivat vakuuttuneita siitä, että mikä tahansa aine koostuu atomeista. He selittivät luonnossa yleisten aineiden monimuotoisuutta yksittäisten atomien välisillä yhteyksillä. He olettivat, että nämä hiukkaset voivat sekoittua muodostaen uusia aineita. Diffuusiomekanismia selittäneen molekyylikineettisen teorian perustajista Mihail Lomonosovilla oli erityinen rooli. He antoivat määritelmän molekyylille, atomille ja selittivät liukenemismekanismin.
Kokeilut
Kokemus sokerista auttaa sinua ymmärtämään kaikki diffuusion piirteet. Jos laitat palan sokeria kylmään teehen, kupin pohjalle muodostuu vähitellen paksu siirappi. Se näkyy paljaalla silmällä. Jonkin ajan kuluttua siirappi jakautuu tasaisesti koko nesteen tilavuuteen eikä ole enää näkyvissä. Tämä prosessi etenee spontaanisti, eikä se sisällä liuoksen komponenttien sekoittamista. Samoin hajuveden tuoksu leviää koko huoneeseen.
Yllä olevat kokeet osoittavat, että diffuusio on spontaani prosessi, jossa yhden aineen molekyylit tunkeutuvat toiseen. Aineen leviäminen tapahtuu kaikkiin suuntiin painovoiman läsnäolosta huolimatta. Tällainen prosessi on suora vahvistus ainemolekyylien jatkuvasta liikkeestä.
Yllä olevassa esimerkissä suoritetaan siis sokeri- ja vesimolekyylien diffuusio, johon liittyy orgaanisten aineiden molekyylien tasainen jakautuminen nesteen tilavuuteen.
Kokeet mahdollistavat diffuusion havaitsemisen paitsi nesteissä, myös kaasumaisissa aineissa. Voit esimerkiksi asentaa vaa'alle eetterihöyryä sisältävän säiliön. Vähitellen kupit tulevat tasapainoon, jolloin eetterilasi on raskaampi. Mistä tämä ilmiö johtuu?
Ajan myötä eetterimolekyylit sekoittuvat ilmahiukkasten kanssa, ja huoneessa alkaa tuntua tietty haju. Lukion fysiikan kurssilla harkitaan koetta, jossa opettaja liuottaa kaliumpermanganaattia (kaliumpermanganaattia) veteen. Aluksi näkyy selvä jyvien liikerata,mutta vähitellen koko ratkaisu saa tasaisen sävyn. Kokeen perusteella opettaja selittää diffuusion piirteet.
Tunnistaaksesi tekijöitä, jotka vaikuttavat prosessin nopeuteen nesteissä, voit käyttää erilämpöistä vettä. Kuumassa nesteessä molekyylien keskinäinen sekoittumisprosessi havaitaan paljon nopeammin, joten lämpötila-arvon ja diffuusionopeuden välillä on suora yhteys.
Johtopäätös
Kaasuilla, nesteillä ja kiinteillä aineilla tehdyt kokeet mahdollistavat fysiikan lakien muodostamisen, yksittäisten suureiden välisen suhteen selvittämisen.
Kokeiden tuloksena selvitettiin aineen hiukkasten keskinäisen tunkeutumisen mekanismi toiseen, ja niiden liikkumisen kaoottisuus todistettiin. Empiirisesti havaittiin, että diffuusio tapahtuu nopeimmin kaasumaisissa aineissa. Tällä prosessilla on suuri merkitys villieläimille, sitä käytetään tieteessä ja tekniikassa.
Tämän ilmiön ansiosta maapallon ilmakehän homogeeninen koostumus säilyy. Muutoin havaittaisiin troposfäärin kerrostumista erillisiksi kaasumaisiksi aineiksi ja hengitykseen sopimatonta raskasta hiilidioksidia olisi lähimpänä planeettamme pintaa. Mihin se johtaisi? Villieläimet yksinkertaisesti lakkaisivat olemasta.
Diffuusion rooli kasvimaailmassa on myös suuri. Puiden rehevä latvus selittyy diffuusiovaihdolla lehtien pinnan läpi. Tämän seurauksena ei vain hengitä, vaan myös puun ravitsemus. Tällä hetkellä maataloudessakäytetään pensaiden ja puiden lehtiruokintaa, jossa kruunu ruiskutetaan erityisillä kemiallisilla yhdisteillä.
Diffuusion aikana kasvi saa ravinteita maaperästä. Myös elävissä organismeissa tapahtuvat fysiologiset prosessit liittyvät tähän ilmiöön. Esimerkiksi suolatasapaino on mahdotonta ilman diffuusiota. Tällaisilla prosesseilla on suuri merkitys järvien ja jokien hapen toimittamisessa. Kaasu tulee säiliön syvyyksiin juuri diffuusion kautta. Jos tällaista prosessia ei olisi, elämä säiliön sisällä lakkaisi olemasta.
Diffuusioon perustuu myös sellaisten lääkkeiden saanti, joiden avulla ihminen voi suojautua eri sairauksien taudinaiheuttajilta ja parantaa hyvinvointia. Tätä ilmiötä käytetään metallien hitsauksessa, sokerimehun valmistuksessa juurikaslastuista ja makeisten valmistuksessa. On vaikea löytää sellaista modernin teollisuuden alaa, jossa diffuusiota ei käytetä.
