Kezdjük azzal, hogy a folyadék az aggregáció köztes állapota. A kritikus forrásponton a gázokhoz hasonló, alacsony hőmérsékleten pedig a szilárd anyaghoz hasonló tulajdonságok jelennek meg. Egy folyadéknak nincs ideális modellje, ami jelentősen megnehezíti egyensúlyi termodinamikai tulajdonságainak, fagyáspontjának, viszkozitásának, diffúziójának, hővezető képességének, felületi feszültségének, entrópiájának, entalpiájának leírását.
Definíció
Mi az a diffúzió? Ez a közeg részecskéinek szétterjedése, eloszlása, mozgása, ami anyagátadáshoz, egyensúlyi koncentrációk létrejöttéhez vezet. Külső hatások hiányában ezt a folyamatot a részecskék hőmozgása határozza meg. Ebben az esetben a diffúziós folyamat egyenesen arányos a koncentrációval. A diffúziós fluxus a koncentrációgradienshez hasonlóan változik.
fajták
Ha folyadékban a diffúzió a hőmérséklet változásával megy végbe, akkor azt termikus diffúziónak, elektromos térben elektrodiffúziónak nevezzük.
A folyadékban vagy gázban lévő nagy részecskék mozgásának folyamata alatt zajlik lea Brown-mozgás törvényei.
Az áramlás jellemzői
A diffúzió gázokban, folyadékokban és szilárd anyagokban különböző sebességgel megy végbe. A részecskék különböző közegekben történő hőmozgásának természetében mutatkozó különbségek miatt a folyamat legnagyobb sebessége gázokban, minimális sebessége pedig szilárd anyagokban van.
A részecske pályája szaggatott vonal, mivel az irány és a sebesség periodikusan változik. A rendezetlen mozgás miatt a részecske fokozatos eltávolítása az eredeti helyzetéből. Egyenes vonal mentén történő elmozdulása sokkal rövidebb, mint a törött út mentén végbemenő út.
Fick törvénye
A folyadékban való diffúzió két Fick-törvénynek engedelmeskedik:
- diffúziós fluxussűrűség egyenesen arányos a koncentrációval diffúziós együtthatóval;
- A diffúziós fluxussűrűség változásának sebessége egyenesen arányos a koncentráció változásának sebességével, és ellenkező irányú.
A folyadékban történő diffúziót a molekulák egyik egyensúlyi helyzetből a másikba való ugrása jellemzi. Minden ilyen ugrás megfigyelhető, amikor energiát adnak át a molekulának olyan térfogatban, amely elegendő ahhoz, hogy megszakítsa a kötést más részecskékkel. Az átlagos ugrás nem haladja meg a molekulák közötti távolságot.
Amikor azt tárgyaljuk, hogy mi a diffúzió folyadékban, megjegyezzük, hogy a folyamat a hőmérséklettől függ. Ennek növekedésével a folyékony szerkezet „lazulása” következik be, aminek következtében aaz időegységenkénti ugrások száma.
A gázokban, folyadékokban és szilárd anyagokban történő diffúziónak van néhány jellegzetes jellemzője. Például szilárd testekben a mechanizmus az atomok kristályrácson belüli mozgásához kapcsolódik.
A jelenség jellemzői
A folyadékban történő diffúzió gyakorlati szempontból érdekes, mivel egy kezdetben inhomogén közegben egy anyag koncentrációjának kiegyenlítődésével jár. Jelentősen több részecske távozik a magas koncentrációjú területekről.
Kísérletek
A folyadékokkal végzett kísérletek kimutatták, hogy a diffúzió különösen fontos a kémiai kinetikában. A reagensek vagy katalizátorok felületén végzett kémiai folyamat során ez a folyamat hozzájárul a reakciótermékek eltávolítási sebességének meghatározásához és a kezdeti reagensek hozzáadásához.
Mi magyarázza a diffúziót a folyadékokban? Az oldószermolekulák képesek áthatolni az áttetsző membránokon, ami ozmotikus nyomást eredményez. Ezt a jelenséget az anyagok elválasztásának kémiai és fizikai módszereiben alkalmazták.
Biológiai rendszerek
Ebben az esetben diffúziós modellek jöhetnek szóba a tüdőbe jutó levegő oxigénjének, az emésztési termékeknek a bélből a vérbe történő felszívódásának, az ásványi elemek gyökérszőrök általi felszívódásának példáján. Az ionok diffúziója az izom- és idegsejtek által generált bioelektromos impulzusok során következik be.
Fizikai tényező, amely befolyásoljaaz egyes elemek test sejtjeiben történő felhalmozódásának szelektivitása az ionok sejtmembránokon keresztül történő különböző behatolási sebessége. Ezt a folyamatot Fick törvénye fejezheti ki, a diffúziós együttható értékét a membrán permeabilitásával helyettesítve, és a koncentráció gradiens helyett a membrán mindkét oldalán az értékek különbségét használja. A víz és gázok diffúziós behatolásával a cellába az ozmotikus nyomás mutatói a cellán kívül és belül megváltoznak.
Elemezve, hogy mitől függ a diffúzió, megjegyezzük, hogy ennek a folyamatnak többféle típusa létezik. Az egyszerű forma az ionok és molekulák szabad átviteléhez kapcsolódik az elektrokémiai potenciáljuk gradiense felé. Ez az opció például olyan anyagokhoz alkalmas, amelyekben a molekulák kis méretűek, például metil-alkohol, víz.
A korlátozott változat gyenge anyagátvitelt feltételez. Például még a kis részecskék sem tudnak behatolni a sejtbe.
Előzményoldalak
A diffúziót az ókori görög kultúra virágkorában fedezték fel. Démokritosz és Anaxogorasz meg voltak győződve arról, hogy minden anyag atomokból áll. A természetben elterjedt anyagok sokféleségét az egyes atomok közötti kapcsolatokkal magyarázták. Feltételezték, hogy ezek a részecskék keveredve új anyagokat képezhetnek. A diffúzió mechanizmusát magyarázó molekuláris-kinetikai elmélet megalapítói közül Mihail Lomonoszov különleges szerepet játszott. Meghatározták a molekulát, az atomot, és elmagyarázták az oldódás mechanizmusát.
Kísérletek
A cukorral kapcsolatos tapasztalatok lehetővé teszik a diffúzió összes jellemzőjének megértését. Ha egy darab cukrot teszünk a hideg teába, fokozatosan sűrű szirup képződik a csésze alján. Szabad szemmel látható. Egy idő után a szirup egyenletesen oszlik el a folyadékban, és többé nem lesz látható. Ez a folyamat spontán módon megy végbe, és nem jár az oldat komponenseinek összekeverésével. Hasonlóképpen, a parfüm illata elterjed az egész szobában.
A fenti kísérletek azt mutatják, hogy a diffúzió az egyik anyag molekuláinak a másikba való behatolásának spontán folyamata. Az anyag terjedése minden irányban megtörténik, a gravitáció jelenléte ellenére. Egy ilyen folyamat az anyagmolekulák állandó mozgásának közvetlen megerősítése.
Így a fenti példában a cukor- és vízmolekulák diffúziója valósul meg, amihez a szervesanyag-molekulák egyenletes eloszlása társul a folyadék térfogatában.
A kísérletek nemcsak folyadékokban, hanem gáznemű anyagokban is lehetővé teszik a diffúzió kimutatását. Például felszerelhet egy étergőzt tartalmazó tartályt a mérlegre. Fokozatosan a csészék egyensúlyba kerülnek, ekkor az éteres pohár nehezebb lesz. Mi az oka ennek a jelenségnek?
Idővel az étermolekulák keverednek a levegő részecskéivel, és sajátos szag kezd érezni a helyiségben. Egy középiskolai fizikatanfolyamon egy olyan kísérletet vesznek figyelembe, amelyben a tanár egy szem kálium-permanganátot (kálium-permanganátot) old fel vízben. Először a szemek mozgásának egyértelmű pályája látható,de fokozatosan az egész oldat egységes árnyalatot kap. A kísérlet alapján a tanár elmagyarázza a diffúzió jellemzőit.
A folyadékokban zajló folyamat sebességét befolyásoló tényezők azonosításához különböző hőmérsékletű vizet használhat. Forró folyadékban a molekulák kölcsönös keveredésének folyamata sokkal gyorsabban figyelhető meg, ezért közvetlen kapcsolat van a hőmérséklet értéke és a diffúziós sebesség között.
Következtetés
A gázokkal, folyadékokkal és szilárd anyagokkal végzett kísérletek lehetővé teszik a fizika törvényeinek megfogalmazását, az egyes mennyiségek közötti kapcsolat megállapítását.
A kísérletek eredményeként sikerült megállapítani az egyik anyag részecskéinek a másikba való kölcsönös behatolási mechanizmusát, igazolni mozgásuk kaotikus voltát. Empirikusan azt találták, hogy a diffúzió a gáz halmazállapotú anyagokban megy végbe a leggyorsabban. Ez a folyamat nagy jelentőséggel bír a vadon élő állatok számára, a tudományban és a technológiában használják.
Ennek a jelenségnek köszönhetően a Föld légkörének homogén összetétele megmarad. Ellenkező esetben a troposzféra különálló gáznemű anyagokra rétegződése figyelhető meg, és a légzésre alkalmatlan nehéz szén-dioxid kerülne a legközelebb bolygónk felszínéhez. Mihez vezetne? A vadon élő állatok egyszerűen megszűnnének létezni.
A diffúzió szerepe a növényvilágban is nagy. A fák dús koronája a levelek felületén keresztül történő diffúziós cserével magyarázható. Ennek eredményeként nemcsak légzés történik, hanem a fa táplálkozása is. Jelenleg a mezőgazdaságbancserjék és fák lombtakarmányozását alkalmazzák, ami a koronát speciális kémiai vegyületekkel permetezi.
A növény a diffúzió során kap tápanyagokat a talajból. Az élő szervezetekben végbemenő élettani folyamatok is ezzel a jelenséggel járnak. Például a sóegyensúly diffúzió nélkül lehetetlen. Az ilyen folyamatok nagy jelentőséggel bírnak a tavak és folyók oxigénellátásában. A gáz pontosan diffúzióval jut be a tározó mélyébe. Ha ez a folyamat hiányzik, az élet a tározóban megszűnne létezni.
Az olyan gyógyszerek bevitele, amelyek lehetővé teszik az ember számára, hogy megvédje magát a különféle betegségek kórokozóitól, és javítja a közérzetet, szintén a diffúzión alapul. Ezt a jelenséget fémek hegesztésénél, répaforgácsból cukorlé előállításánál, édességkészítésnél alkalmazzák. Nehéz olyan modern iparágat találni, ahol nem alkalmazzák a diffúziót.
