Скорость диффузии зависит от температуры вещества

Разработка теории жидкости все ближе

Российские ученые провели теоретические исследования диффузии (перемешивания) в жидкости, находящейся в равновесии со насыщенным паром, на примере разных смоделированных веществ. Науке давно известно, что если нагревать систему, то скорость перемешивания частиц в ней возрастает. Но то, как именно это происходит, зависит от конкретного вещества и внешних условий (например, давления). Ученые обнаружили универсальную для широкого класса веществ закономерность. Это приблизило их к разработке общей теории жидкостей. Работа поддержана двумя грантами Российского научного фонда.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Фото: Станислав Тихомиров, Коммерсантъ

Проникновение частиц одного вещества между частицами другого называется диффузией. Благодаря этому явлению мы, например, можем из комнаты почувствовать приятный запах кофе, который варят на кухне, потому что молекулы напитка быстро распространяются, смешиваясь с молекулами воздуха. Частный случай этого процесса — самодиффузия — происходит, когда смешиваются частицы одного вещества. В настоящий момент ученые хорошо понимают, как происходят различные процессы в твердых телах (кристаллах) и газах, а вот понимание процессов в жидкостях, в том числе и диффузии, остается довольно ограниченным и фрагментарным. Однако в последние годы исследователям удается добиться больших успехов в области исследования жидкостей с помощью методов моделирования молекулярной динамики.

Российские физики из Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана (Москва) провели теоретические исследования поведения частиц жидкости, находящейся в равновесии со своим насыщенным паром. Это означает, что количество частиц, испаряющихся с поверхности жидкости и попадающих в нее из газа, примерно совпадает. Свои расчеты ученые провели на основе обобщенного потенциала Леннарда-Джонса, математической модели, которая достаточно точно описывает благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон), а также любые жидкости в состоянии, близком к критической точке, где плотность жидкости и плотность ее насыщенного пара равны. Кроме того, чтобы сделать свои результаты и выводы более общими, физики рассмотрели также модель этана.

В своей работе основной акцент ученые делали на измерении коэффициента диффузии. Этот показатель — мера скорости перемещения частиц и их проникновения в пространство друг друга. Скорость диффузии зависит от температуры: чем она выше, тем больше скорость движения частиц изучаемой жидкости. Исследователи выяснили, что коэффициент диффузии в жидкости, которая находится в равновесии со своим паром, в достаточно большом диапазоне температур линейно зависит от температуры. Однако существует некоторая температура, после которой линейный участок сменяется на нелинейный: скорость роста диффузии с температурой существенно возрастает. Ученым удалось обнаружить простую универсальную закономерность (формулу), которая позволила точно описать данное поведение для всех рассмотренных жидкостей.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Иллюстрация конденсированной системы (жидкости или кристалла), находящейся в равновесии со своим насыщенным паром. График a — это «холодная» система, когда пар практически полностью отсутствует, а частицы располагаются в узлах кристаллической решетки. График b — это достаточно «горячая» жидкость, окруженная равновесным паром, профиль плотности которой изображен на рисунке c

Фото: Dmitryuk et al. / Sci. Rep., 2023

Также ученые более подробно изучили связь коэффициента диффузии со спектрами возбуждения. Движение частиц в жидкости (или в любой другой системе) можно представить как большое число звуковых волн, наложенных друг на друга. Для каждой жидкости существует свой уникальный набор этих «волн», который и называют спектром возбуждения. Это что-то вроде отпечатка пальца для человека. Однако исследователи обнаружили, что этот «отпечаток» изменяется, когда равномерный рост скорости диффузии при повышении температуры начинает ускоряться. Несмотря на то что сама жидкость остается прежней, ее спектры начинают больше напоминать спектры газовой системы, где диффузия сильна, чем спектры кристалла, где диффузионные процессы слабее.

«На сегодняшний момент хорошо развиты теории газов и твердых тел (кристаллов), а вот единой теории жидкости нет. Наши исследования — это еще один шаг в сторону разработки такой теории, которая позволит нам лучше понимать физические свойства жидкостей, а следовательно, даст возможность прогнозировать их и управлять ими. Одним из подходов к теории может быть исследование связей спектров возбуждения жидкостей с ее различными свойствами. Мы считаем, что представленные результаты откроют новые перспективы для дальнейших исследований в данном направлении для широкого спектра жидкостей — от простых атомарных и молекулярных до «жидкостей», образованных активными, или живыми (клеточными или бактериальными), частицами»,— рассказывает руководитель одного из проектов, поддержанных РНФ, Никита Крючков, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НОЦ «Фотоника и ИК-техника», доцент кафедры «Физика» и кафедры «Биомедицинские технические системы» МГТУ им. Н. Э. Баумана.

При всей очевидно большой фундаментальной значимости работы российских физиков эти исследования могут быть полезны и на практике. Жидкости и газы окружают нас повсюду. Они играют важную роль в живой природе и различных технических системах. Сегодня очень важно уметь моделировать такие системы, так как это позволяет прогнозировать природные явления, например погоду, или оптимизировать работу различных технических систем с целью повышениях их эффективности — например, эффективность синтеза полезных веществ в различных био- или химреакторах. Такие расчеты могут требовать очень больших вычислительных мощностей, но они могут быть значительно уменьшены, если моделирование каких-то процессов можно заменить простыми, но достаточно точными моделями, одна из которых как раз и получена российскими учеными.

Использованы материалы статьи.

МБОУ «Лицей №55» Потапова И.А. 6ая городская научно-практическая конференция исследовательских работ младших школьников «Влияние температуры на скорость диффузии»

В своей жизни человек часто сталкивается с различными физическими явлениями. И часто даже не задумывается об этом. Одному из таких явлений, а именно диффузии, посвящен эта работа.

Говоря научным языком, диффузия – это распространение молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого.

В повседневной жизни мы сталкиваемся с этим явлением, когда завариваем чай, солим пищу или используем освежитель воздуха. Даже в поговорке это явление нашло свое отражение. В физическом смысле поговорка «Ложка дегтя в бочке меда», говорит о том, что деготь – это смолистое жидкое вещество, которое проникает в другое жидкое вещество – мед и придает ему неприятный вкус. Явление диффузии используется везде – в кулинарии, в медицине, в технике, поэтому очень важно представлять закономнрности этого явления.

Цель работы: исследовать такое физическое явление, как диффузия.

Задачи работы:

— изучить физические основы диффузии;

— провести опыт, доказывающий влияние температуры на диффузию;

— описать роль диффузии в жизни человека.

Гипотеза: температура влияет на скорость протекания диффузии.

1. Понятие диффузии.

В соответствии с современными представлениями, атомы и молекулы, из которых состоит вещество, находятся в беспрерывном хаотическом движении. Такое движение называется тепловым.

Тепловое движение невозможно увидеть невооруженным глазом, ведь размеры молекул очень малы.

Однако существует много физических явлений, объяснить которые можно только опираясь на тот факт, что молекулы постоянно двигаются.

Бесспорным доказательством движения молекул служит физическое явление, которое называется диффузия (от лат. diffusio — распространение, растекание). Диффузией называют взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга, происходящее в результате теплового (хаотического) движения молекул (атомов).

Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия.Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и медленнее всего в твёрдых телах.

Диффузия объясняется так. Сначала между двумя телами чётко видна граница раздела двух сред (рис.1а). Затем, вследствие своего движения отдельные частицы веществ, находящихся около границы, обмениваются местами.

Граница между веществами расплывается (рис.1б). Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во всё более глубоких слоях. Граница раздела веществ становится ещё более расплывчатой. Благодаря непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит в конце концов к тому, что вещество становится однородным (рис.1в).

2. Диффузия в газах и жидкостях

Всем хорошо известно, что если в комнату внести какое-либо пахучее вещество, например духи или нафталин, то запах вскоре будет чувствоваться во всей комнате. Распространение запахов происходит из-за того, что молекуле духов (или нафталина) движутся.

Возникает вопрос, почему же запах в комнате распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время.

Дело в том, что движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. Молекулы духов (или нафталина) на своем пути сталкиваются с молекулами газов, которые входят в состав воздуха. Они постоянно меняют направление движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате. Это значит, что молекулы ароматного вещества, двигаясь, попадают в промежутки между молекулами воздуха, которым заполнена комната, т. е. наблюдается диффузия. Именно в результате диффузии в газах мы ощущаем запахи: запах вкусной еды из столовой или запах прогретой летним солнцем травы.

Диффузию можно наблюдать и в жидкостях. Но в жидких веществах подобные процессы протекают значительно медленнее.Взаимопроникновение двух разнородных жидкостей друг в друга, растворение твердых веществ в жидкостях (например, сахара в воде) и образование однородных растворов – примеры диффузионных процессов в жидкостях. Многочисленные опыты свидетельствуют, что диффузия в жидкостях протекает значительно медленнее, чем в газах.

Еще медленнее происходит диффузия в твердых телах. Это происходит из-за особенностей расположения молекул газов, жидкостей и твердых тел.

3. Влияние температуры вещества на диффузию

Довольно сложные эксперименты показывают, что при любой температуре в веществе есть молекулы, двигающиеся довольно медленно, и молекулы, скорость которых высока. Если количество молекул вещества, имеющих высокую скорость, увеличивается, т. е. увеличивается средняя скорость молекул, то это значит, что температура вещества также увеличивается.

Обратимся к опыту, коорый проводил каждый из нас. В двух стаканах налита вода, но в одном холодная, а в другом – горячая. Опустим одновременно в стаканы пакетики с чаем. Нетрудно заметить, что в горячей воде чай быстрее окрашивает воду, диффузия протекает быстрее. Чем горячее вода, тем быстрее она приобретет характерный цвет и запах. Это наглядное подтверждение того, что температура влияет на диффузию. Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.

В случае повышения температуры скорость диффузии в газах также увеличивается.

Зависимость скорости диффузии от температуры особенно заметна для твердых тел. Так, английский металлург Вильям Роберт Остин провел следующий опыт. Он наплавил тонкий диск золота на свинцовый цилиндр и на несколько дней поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 400°С. Оказалось, что золото продиффундировало через весь цилиндр ; тем временем при комнатной температуре диффузия в металлах практически не наблюдалась.

Для наблюдения за процессом диффузии можно использовать прозрачную емкость с водой и краситель. Если капнуть в воду жидкий краситель, цветные капли будут постепенно расплываться в воде. А через несколько часов раствор приобретет однородный цвет.

Для изучения диффузии и влияния температуры на нее был проведен следующий опыт.

1. В колбу налили чистую воду.

2. В стакане с теплой водой растворили желый краситель.

3. С помощью пипетки в колбу медленно капнули несколько капель желтого цвета.

В результате диффузии вода и краситель смешались и раствор в колбе стал желтым

4. В стакане с холодной водой растворили синий краситель, а в колбу с желтым раствором добавили лед.

5. С помощью пипетки капнули в колбу воду синего цвета.

При смешивании желтого и синего цветов, вода окрасилась в зеленый. Что наглядно показывает нам действие диффузии на практике. При этом окрашивание воды в желтый цвет с помощью теплого раствора происходило быстрее, чем смешивание желтого и синего растворов.

Для наблюдения за процессом диффузии в твердом веществе был использован кусечек сахара и жидкий криситель. На поверхность кусочка сахара капнули красителем. Сначала окрасилось только то место, куда попала капля. Но постепенно краситель проник в вещество, и окрашенной оказалась значительная часть сахара.

Таким образом, мы выяснили, что чем выше температура вещества, тем быстрее происходит диффузия, т. к. молекулы быстрее двигаются.

4. Явление диффузии в природе и ее применении в технике

Явление диффузии широко используется и на практике. В повседневной жизни – заварка чая, консервирование овощей, изготовление варений. Явление диффузии очень распространено в природе. Благодаря диффузии углекислый газ попадает в листву растений; питательные вещества впитываются в кишечнике; кислород из легких попадает в кровь, а из крови — в ткани и т. д.Большую роль играют диффузные процессы в снабжении природных водоёмов и аквариумов кислородом. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счёт диффузии через их свободную поверхность. Поэтому нежелательны всякие ограничения свободной поверхности воды. Так, например, листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели ее обитателей. По этой же причине сосуды с узким горлом непригодны для использования в качестве аквариума.

Диффузию широко применяют в технике. На явлении диффузии основана диффузионная сварка металлов. Метод диффузионной сварки позволяет соединять между собой металлы, неметаллы, металлы и неметаллы, пластмассы. Детали помещают в закрытую сварочную камеру с сильно разряженным воздухом, сдавливают и нагревают до 800 градусов. При этом происходит интенсивная взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях контактирующих материалов. Диффузионная сварка применяется в основном в электронной и полупроводниковой промышленности, точном машиностроении.

Для извлечения растворимых веществ из твердого измельченного материала применяют диффузионный аппарат. Такие аппараты распространены, главным образом, в свеклосахарном производстве, где их используют для получения сахарного сока из свекловичной стружки, нагреваемой вместе с водой.

На явлении диффузии основан процесс металлизации – покрытия поверхности изделия слоем металла или сплава для сообщения ей физических, химических и механических свойств, отличных от свойств металлизируемого материала. Применяется для защиты изделий от коррозии, износа, повышения контактной электрической проводимости, в декоративных целя. Для повышения твердости и жаростойкости стальных деталей применяют цементацию. Она заключается в том, что стальные детали помещают в ящик с графитовым порошком, который устанавливают в термической печи. Атомы углерода вследствие диффузии проникают в поверхностный слой деталей. Глубина проникновения зависит от температуры и времени выдержки деталей в термической печи.

К сожалению, необходимо отметить и вредные проявления этого явления. Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, вредные вещества. В настоящее время общее количество выбросов газов в атмосферу превышает 40 миллиардов тонн в год. Избыток углекислого газа в атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в природе, приводит к образованию кислотных дождей. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире равен примерно 10 триллионов тонн.

Загрязнение водоёмов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается содержание кислорода в воде, что плохо для водных организмов. Из-за повышения температуры воды многие реки теперь зимой не замерзают. Для снижения выброса вредных газов из промышленных труб, труб тепловых электростанций устанавливают специальные фильтры, но установка их стоит очень дорого. Для предупреждения загрязнения водоемов необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты.

Таким образом, значение диффузии в неживой природе очень велико, а существование живых организмов было бы невозможно, если бы не было этого явления. К сожалению, приходится бороться с отрицательным проявлением этого явления, но положительных факторов намного больше и поэтому мы говорим об огромном значении диффузии в природе.

Заключение

Изучив явление диффузии, можно сделать вывод, что диффузия – фундаментальное явление природы. Его проявления имеют место на всех уровнях организации природных систем на нашей планете, начиная с уровня элементарных частиц, атомов и молекул, и заканчивая геосферой. Оно широко используется в технике, в повседневной жизни. А так же проявляется во многих природных явлениях.

Исследование диффузии помогает лучше понять явления, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Распространение запахов – наглядный пример диффузии в газах. А заваривание чая, приготовление рассола для овощей пример диффузии в жидкостях.

В результате проведенных экспериментов наглядно видно, что чем выше температура раствора, тем быстрее происходит диффузия.

Все это помогает лучше разобраться в окружающих нас физических процессах и их практическом применении.

Использованная литература

1. Гершберг А.Е. Физика в доме. – М. Космосинформ, 2003.
2. Пёрышкин А.В. Физика 7 класс. – М.: Дрофа, 2010.
3. Перельман Я.И. Физика на каждом шагу. – М: АСТ, 2013

Вложение	Размер
kazancev3a.pptx	1.62 МБ

Скорость диффузии зависит от температуры вещества

ПРОИЗВОДИТЕЛЬ
специализированной химии

Термин «диффузия» применяется для описания перемещения энергии или молекул/частиц в данной среде в результате их хаотических столкновений друг с другом или с молекулами в окружающей среде. Чаще всего мы говорим о диффузии в контексте переноса молекул, вызванного разницей в концентрации. Диффузия — очень распространенный в природе процесс, используемый живой материей. Кроме того, он играет важную роль во многих важных процессах, в таких областях, как металлургия и керамика, например, во время фазовых превращений, спекания или коагуляции фаз. Диффузия может быть вызвана различными факторами, например, градиентами концентраций, температуры, давления, внешних сил, а также возникновением электрического заряда.

Опубликовано: 29-03-2023

Классификация диффузии

Базовая классификация опирается на агрегатное состояние. Так мы различаем твердую, жидкую и газообразную диффузию. Принимая во внимание диффундирующие атомы, разделяем на две категории. Первая — химическая диффузия, под которой понимаем перемещение атомов элемента относительно атомов основы. Второй — самодиффузия, вызванная движениями атомов одного и того же типа относительно друг друга. Диффузию в твердом состоянии можно разделить на:

• решетчатую, возникающую в кристаллах, не содержащих линейных или поверхностных дефектов;
• объемную, когда в кристалле имеются дислокации;
• вдоль дислокации;
• по границам зерен;
• поверхностную по свободной поверхности кристалла.

Вакансионный механизм диффузии

Возникновение этого явления основано на обмене атома с вакансией, то есть точечным дефектом в кристаллической решетке, который притом является узлом, не занятым ни одним атомом или ионом. Необходимым условием для запуска механизма является наличие таких мест, что, в свою очередь, требует подвода достаточного количества тепловой энергии. Кроме того, должен быть разрушен барьер потенциала, окружающий атомы, что также требует определенных затрат энергии. Запас необходимой энергии, называемый энергией активации диффузии, обеспечивается тепловыми колебаниями атомов. Поэтому зависимость вероятности появления вакансий и их обмена с атомами от температуры огромна и возрастает экспоненциально. Когда возникает этот механизм, то в дополнение к направленным потокам диффундирующих атомов генерируются и потоки вакансий, направленные в противоположную сторону.

Механизм межузловой диффузии

Этот тип механизма включает в себя последовательные перескоки межузловых атомов с атомами основы. Такие атомы называются атомами с малыми диаметрами по сравнению с атомами основы. Перескоки же происходят из одного межатомного зазора в соседний. В любой кристаллической решетке, даже самой плотной, существуют зазоры двух типов. Первые — октаэдрические представляют собой большие зазоры, а тетраэдрические — меньшие. Это механизм, с помощью которого, например, диффундируют атомы водорода, углерода, азота или кислорода. Все, кроме водорода, имеют настолько большие диаметры по отношению к зазорам, что они оказывают сжимающее напряжение в решетке. Скорость механизма относительно вакансии намного выше, так как энергии, необходимой для активации, требуется примерно в два раза меньше. Эта энергия зависит не от наличия вакансий, а от плотности заполнения решетки.

Диффузия вдоль дислокаций

Факторы, влияющие на скорость диффузии в твердых телах

1. Температура напрямую связана с тепловыми колебаниями атомов. Они, в свою очередь, отвечают за обеспечение энергии, необходимой атому для перескока из одного узла в другой. Скорость диффузии увеличивается с повышением температуры.
2. Плотность дефектов является фактором, определяющим скорость диффузии. В случае дислокаций и точечных дефектов, чем выше их концентрация, тем выше скорость диффузии. В противоположность этому, комплексы дефектов, наоборот, снижают ее.
3. Увеличение общего давления снижает скорость диффузии в системах, находящихся в атмосфере, которая не вступает в реакцию с материалом. Особенно высокое значение коэффициента наблюдается при высоких давлениях.

Механизм диффузии в твердых телах

Атомы в твердых телах, в кристаллах постоянно меняют свое местоположение. Диффузией называется их миграция в кристаллической решетке. Перескок атома возможен только в том случае, если по соседству с ним имеется свободное место, а сам атом должен обладать достаточной энергией активации. При рассмотрении колебаний атомов в кристаллической решетке важно помнить, что:

• при температуре выше абсолютного нуля каждый атом колеблется с высокой частотой вокруг своего положения;
• не каждый атом колеблется с одинаковой частотой и амплитудой в одно и то же время;
• атомы характеризуются различной энергией;
• один и тот же атом может иметь разную энергию в зависимости от времени;
• энергия атомов увеличивается с ростом температуры.

Диффузия в растворах

Поскольку молекулы растворителя и растворенного вещества находятся в постоянном движении, их распространение приводит к равномерному распределению концентрации по всему объему. Градиент концентрации — это фактор, который активирует диффузию и вызывает поток молекул, устраняя разницу концентраций. Ее скорость прямо пропорциональна градиенту концентраций.

Диффузия газа

Это самый быстропротекающий процесс по сравнению с другими агрегатными состояниями. Спонтанное распространение молекул газа вызвано молекулярно-кинетическим движением. Скорость обусловлена наличием больших пространств между частицами, которые легко могут быть заняты другими веществами. Повышение температуры еще больше увеличивает скорость диффузии, повышая скорость движения свободных частиц.

Законы Фика

Для процесса диффузии, независимо от агрегатного состояния, применяют два закона, введенные Фиком:

1. Первый закон Фика — это зависимость между потоком диффундирующего вещества и градиентом его концентрации. Потоком называется количество вещества, которое перемещается за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной этому потоку.
2. Второй закон Фика описывает связь между локальной скоростью изменения концентрации диффундирующего вещества и градиентом его концентрации.

Для каждой системы существует также коэффициент диффузии, который зависит от средней скорости молекул, то есть также от температуры, и от среднего свободного пробега молекул тела.

Повседневные примеры возникновения диффузии:

1. быстрое распространение запахов, появляющихся в помещении;
2. проникновение кислорода в кровь во время дыхания;
3. частицы из чайных листьев диффундируют в сосуде во время заваривания, занимая весь его объем;
4. окрашивание волокон — распределение краски/пигмента;
5. распространение вкусов и ароматов во время добавления приправы.

Оглавление

1. Классификация диффузии
2. Вакансионный механизм диффузии
3. Механизм межузловой диффузии
4. Диффузия вдоль дислокаций
5. Механизм диффузии в твердых телах

Диффузия

Что произойдет с водой, если в нее обмакнуть кисть, испачканную зеленой краской? А как поведет себя консервированный воздух Патагонии или Гонолулу, если открыть запечатывающую его жестянку? Все правильно: вода станет зеленой, а воздух из банки тут же смешается с окружающей атмосферой. Оба этих события – наглядная демонстрация явления под названием диффузия. Что это такое с точки зрения физики и какие еще примеры можно найти в жизни – обсудим с экспертом.

Что такое диффузия в физике

Ученые-физики определяют диффузию так: это процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, то есть перемешивания веществ между собой. Поэтому если мы используем ложку, блендер или венчик, взбивая тесто для блинчиков, мы помогаем диффузии молока, муки и яичной массы.

Явление диффузии основано на том, что между молекулами любого вещества есть свободное пространство, а сами они беспорядочно и хаотично движутся.

Интересный факт: беспорядочное движение молекул называют броуновским по фамилии английского ботаника Роберта Броуна. В 1827 году, наблюдая под микроскопом водную суспензию цветочной пыльцы, он заметил, что частицы непрерывно движутся.

В разных агрегатных состояниях, как мы помним, молекулы движутся с разной скоростью: в газах – быстро, в жидкостях – медленнее, а в твердых телах и вовсе колеблются на своих местах в кристаллической решетке. Далее мы разберемся, как этот и другие факторы влияют на интенсивность процесса диффузии, и узнаем, подвержены ли ей твердые тела.

Полезная информация о диффузии

Диффузия основана на броуновском движении молекул	За счет постоянного движения молекулы одного вещества проникают между молекулами другого.
Диффузии подвержены все агрегатные состояния	Скорость этого процесса в газах наибольшая, а в твердых веществах – наименьшая.
Диффузия – непрерывный и самостоятельный процесс	Смесь веществ будет стремиться стать однородной даже без воздействия внешних факторов.

Диффузия в газах

Молекулы газов расположены на значительном расстоянии друг от друга и движутся с большой скоростью, а значит, и смешиваться газы будут быстрее любых других веществ. При этом процесс диффузии будет направлен на то, чтобы получившаяся смесь стала однородной.

Примеры

Яркий пример диффузии в газах – аромат свежеприготовленного шашлыка или горячей пиццы, доносящийся из рюкзака пробегающего мимо курьера. Сначала он будет чувствоваться достаточно сильно, но скоро развеется. Воздух, напитанный вкусным запахом, быстро смешается с остальным, не содержащим в себе ароматных частиц.

Из-за явления диффузии существует возможность отравления бытовым газом: он токсичен и очень быстро распространяется по всему помещению. В целях безопасности в него добавляют пахучее вещество, едкий запах которого позволит вовремя заметить утечку.

это интересно
Теплопроводность
Почему зимой нельзя лизать качели и греют ли нас валенки и пуховики?

Диффузия в жидкостях

Частицы жидкости также не стоят на своих местах, хотя и движутся медленнее, чем молекулы газа, а значит, и диффузия займет большее время. Не стоит забывать, что с точки зрения физики к жидкостям относится не только то, что течет, как вода, но и тягучие вещества. Например, мед, плавленый сыр или тесто. Чем больше густота и вязкость, тем медленнее будет идти процесс.

Примеры

Диффузию в жидкостях легко иллюстрировать наглядными примерами, так как мы часто сталкиваемся с ней в жизни. Молоко смешивается с эспрессо, мед растворяется в чае, растекается в луже растаявшее мороженое. Все эти процессы, кстати, произойдут и без дополнительного воздействия. Так, чай станет сладким, даже если не перемешивать его ложкой, хотя на это и уйдет довольно много времени.

Уточним, что диффузия разных по плотности жидкостей происходит медленнее, чем примерно одинаковых. Поэтому бензин растечется по воде радужной пленкой, но не смешается с ней сразу, а сироп, наоборот, сначала осядет на дно напитка.

Диффузия в твердых телах

Несмотря на то что молекулы твердых тел не перемещаются в пространстве и лишь колеблются на своих местах в кристаллических решетках, диффузия в них все-таки возможна. Но расстояния между частицами в этом случае очень небольшие, и чтобы произошло смешение, требуется продолжительное время.

Во взаимодействие могут вступать и вещества в разных агрегатных состояниях. Например, сухие твердые и жидкость: вода, масло или спирт. Так растворяются в бульоне соль и сахар, заваривается чай или создаются суспензии лекарств.

Примеры

Для заметного ускорения диффузии твердых тел необходима высокая температура. Если положить два слитка разных металлов друг на друга, то даже за несколько лет слой смешанного вещества на их стыке будет всего в пару миллиметров толщиной. А вот с повышением температуры этот процесс может занять считанные часы: если нагреть металлы до жидкого состояния, их легко перемешать, превратив в сплав. Другой известный пример – это сварка, во время которой молекулы одного куска металла накрепко соединяются с молекулами другого.

Для неметаллов диффузия при нагревании тоже актуальна: керамическую посуду покрывают глазурью и запекают в печи при 700-1000°C, благодаря чему красивое глянцевое покрытие быстро и надежно скрепляется с глиняной основой.

Задачи по теме «Диффузия»

В школьной программе диффузию изучают без применения формул, поэтому все задачи по этой теме направлены на знание и понимание сути процесса.

Задание 1

Определите, иллюстрируют ли следующие примеры диффузию:

1. Горячий пар из носика чайника поднимается к потолку.
2. Масло с лежащим в нем стручком перца чили становится острым.
3. Ювелир создает сплав меди и олова для получения бронзы.

Задание 2

Определите, ускоряют или замедляют диффузию следующие факторы.

1. Нагревание диффундирующих жидкостей.
2. Встряхивание сосуда, в котором проходит процесс.
3. Охлаждение веществ, участвующих в диффузии.
4. Увеличение концентрации диффундирующего вещества, например добавление дополнительной ложки сахара в чай.

Ответы к задачам

Проверьте себя, воспользовавшись ответами.

Задание 1

1. Нет. Этот пример иллюстрирует конвекцию, а не диффузию
2. Да. Мельчайшие частички острого на вкус вещества диффундируют в масле.
3. Да, ювелир перемешивает два металла с помощью их разогревания.

Задание 2

1. Повышение температуры ускоряет процесс диффузии.
2. Перемешивание и встряхивание ускоряют процесс и вызывают так называемую принудительную диффузию.
3. Понижение температуры снижает скорость диффузии.
4. Чем больше различие в концентрации веществ, тем выше скорость процесса, а значит, добавление сахара ускорит диффузию.

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Юлия Крутова, учитель физики средней общеобразовательной школы №16 (Московская область, Орехово-Зуевский городской округ).

Как влияет температура на диффузию?

Скорость протекания диффузии зависит от теплопроводности веществ и в целом от температуры. Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы – следовательно, диффузия протекает быстрее.

Какие вещества поступают в клетку путем диффузии?

В клетку через мембрану путем простой диффузии проникают гидрофобные вещества (кислород, бензол, азот) и полярные маленькие молекулы (вода, углекислый газ, мочевина).

В каком классе проходят диффузию?

Первое знакомство с диффузией происходит в 7 классе, это одно из первых важных определений. Далее мы говорим о тепловых явлениях в 8 классе, рассматриваем процесс с более научной стороны. И в 10 классе начинается изучение раздела «Термодинамика», где снова вспоминаем диффузию.

В каком задании ЕГЭ по физике проверяется знание диффузии?

Согласно кодификатору и спецификации на ЕГЭ задания 9, 10, 18, 19, 20 первой части и задания 21, 23 могут включать в себя знание данного понятия.