Примеры диффузии в разных агрегатных состояниях. Старт в науке
ДИФФУЗИЯ (от латинского diffusio - растекание, распространение, рассеивание), процесс установления наиболее вероятного пространственного распределения частиц при их хаотическом движении в газах, жидкостях и твёрдых телах. Диффузия - частный случай переноса явлений.
В термодинамически равновесной среде, состоящей из двух и более компонент, при отсутствии внешних воздействий диффузия приводит к выравниванию концентраций частиц каждой компоненты во всём объёме среды. В бинарной смеси при малой концентрации диффундирующего вещества плотность диффузионного потока J частиц связана с градиентом их концентрации ∇n соотношением: J = ‒D∇n (1-й закон Фика, смотри Фика законы), где D - коэффициент диффузии. При этом изменение концентрации n во времени t и пространстве посредством диффузии с независимым от координат значением D описывается уравнением диффузии:
∂n/∂t = D∆n (1)
(2-й закон Фика). Если диффундирующие частицы могут рождаться или гибнуть, то в правую часть уравнения (1) добавляются соответствующие источники или стоки, например скорость изменения концентрации в химических реакциях (∂n/∂t) хим. Сочетанием диффузии с химическими реакциями характеризуются многие процессы горения и распространения фронта пламени. Диффузия нейтронов наряду с их рождением и поглощением - один из основных процессов, протекающих в активной зоне ядерного реактора и в окружающей радиационной защите.
Микроскопической основой диффузии является диффузионное движение (случайное блуждание) каждой отдельной частицы. Такое движение не прекращается и при J = 0. Любое начальное движение частицы в равновесной среде превращается со временем в тепловое движение. Диффундирующая частица, двигаясь и многократно меняя направление движения в результате столкновений (рассеяния на молекулах среды), уходит за время t от своего начального положения на расстояние, средний квадрат которого по большому числу траекторий равен 6Dt. При этом в любом заданном направлении, например по оси х, средний квадрат пройденного расстояния равен 2Dt. В газе D ≈ lv/3, где l - длина свободного пробега частицы, v - её средняя тепловая скорость. Коэффициент D, как и длина свободного пробега l, обратно пропорционален плотности газа. В газе нормальной плотности l порядка 10 -4 -10 -5 см. Тепловые скорости атомов и молекул (кроме водорода и гелия) составляют в нормальных условиях (при температуре около 0 °С) десятые доли км/с. Соответственно для таких газов в нормальных условиях D порядка 0,1-1 см 2 /с. В жидкости диффузионное движение частицы слагается из эпизодических перемещений на расстояния порядка размера молекулы и малых колебаний около временных положений равновесия. Вследствие затраты времени на такие колебания коэффициенты диффузии в жидкости много меньше, чем в газе.
В твёрдом теле диффузия дополнительно затруднена фиксированным положением атомов среды, образующих кристаллическую решётку. Механизмами диффузии в твёрдом теле могут быть: обмен местами между частицей примеси и оказавшейся рядом вакансией (дыркой) или с соседним атомом среды, движение частицы по междоузлиям и более сложные коллективные перемещения. Такие процессы связаны с преодолением значительных потенциальных барьеров. Поэтому коэффициент диффузии в твёрдом теле сильно (экспоненциально) зависит от температуры. (Эта закономерность, выраженная количественно слабее, характерна и для жидкостей.) Пример медленной диффузии в твёрдом теле: в металлических баллонах даже при высоком давлении газы хранятся годами без существенной утечки. При низких температурах в конденсированных средах определяющим механизмом диффузии может быть квантовая диффузия (туннелирование) атомов.
Характерным свойством диффузии является отсутствие резкой границы (фронта), разделяющей диффузионное облако от среды, в которой оно распространяется. Граница, заданная искусственно в начальный момент времени, например при мгновенном удалении оболочки с капли красителя, помещённой в воду, быстро размывается. Квадрат радиуса сферы, в которой находится основная масса красителя, увеличивается пропорционально времени. Соответственно скорость роста радиуса убывает как t -1/2 . Подобная закономерность свойственна и процессу теплопередачи.
Диффузию частицы в «собственной» среде, например молекулы воды в воде или атома алюминия в металлическом алюминии, называют самодиффузией. Коэффициент самодиффузии измеряют методом изотопных индикаторов, вводя локально радиоактивный изотоп атома (молекулы) исследуемой среды и наблюдая за его перераспределением во времени. Причиной диффузионного потока могут быть градиент температуры (термодиффузия), электрическое поле (электродиффузия), градиент давления в микропористой перегородке или гравитационное поле (бародиффузия). В этих случаях концентрационное равновесие (отсутствие диффузионного потока) достигается при ∇n ≠ 0, т. е. при пространственно неоднородном распределении концентраций. В плазме диффузии заряженных частиц на расстояния, больше дебаевского радиуса экранирования, происходит без нарушения квазинейтральности плазмы (амбиполярная диффузия).
Кроме диффузии частиц в пространстве, в обобщённом смысле рассматривается диффузия квазичастиц, энергии, импульса и т.п. в фазовом пространстве.
Диффузия играет важную (часто определяющую) роль во многих естественных явлениях и в технологических процессах.
Лит.: Гроот С. де, Мазур П. Неравновесная термодинамика. М., 1964; Хаазе Р. Термодинамика необратимых процессов. М., 1967; Грэй П. Физика простых жидкостей. М., 1971. Ч. 1: Статистическая теория.
Диффузия
(от лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание), перенос частиц разной природы, обусловленный хаотическим тепловым движением молекул (атомов) в одно- или многокомпонентных газовых либо конденсирированных средах. Такой перенос осуществляется при наличии градиента концентрации частиц или при его отсутствии; в последнем случае процесс называется самодиффузией (см. ниже). Различают диффузию
коллоидных частиц (т. наз. броуновская диффузия
), в твердых телах, молекулярную, нейтронов, носителей заряда в полупроводниках и др.; о переносе частиц в движущейся с определенной скоростью среде (конвективная диффузия
) см. Массообмен, Переноса процессы,
о диффузии
частиц в турбулентных потоках см. Турбулентная диффузия
. Все указанные виды диффузии
описываются одними и теми же феноменологическими соотношениями.
Основные понятия. Главной характеристикой диффузии служит плотность диффузионного потока J - количество вещества, переносимого в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса. Если в среде, где отсутствуют градиенты температуры, давления, электрического потенциала и др., имеется градиент концентрации с (х, t ), характеризующий ее изменение на единицу длины в направлении х (одномерный случай) в момент времени t , то в изотропной покоящейся среде
J = -D (dс /dх ), (1)
где D - коэффициент диффузии (м 2 /с); знак "минус" указывает на направление потока от больших концентраций к меньшим. Пространственно-временное распределение концентрации:
Уравнения (1) и (2) называются первым и вторым законами Фика. Трехмерная диффузия [с (х, у, z; t )] описывается уравнениями:
J = -D grad c (3)
где J - вектор плотности диффузионного потока, grad - градиент поля концентрации.
Перенос частиц в среде осуществляется как последовательность их случайных перемещений, причем абсолютная величина и направление каждого из них не зависят от предыдущих. Диффузионное движение в среде каждой частицы обычно характеризуют среднеквадратичным смещением L 2 от исходного положения за время t. Для трехмерного пространства справедливо первое соотношение Эйнштейна: L 2 = GDt. Таким образом, параметр D
характеризует эффективность воздействия среды на частицы.
В случае диффузии в многокомпонентных смесях в отсутствие градиентов давления и температуры (изобарно-изотермическая диффузия ) для упрощения описания взаимного проникновения компонентов при наличии градиентов их концентраций вводят так называемые коэффициенты взаимной диффузии . Например, при одномерной диффузии в двухкомпонентной системе выражение для диффузионного потока одного из компонентов принимает вид:
где c
1 +
с
2 =
const, D 12 = D 21 - коэффициент взаимной диффузии
обоих компонентов.
В результате неравномерного нагревания среды под влиянием градиента температуры происходит перенос компонентов газовых или жидких смесей - термодиффузия (в растворах - эффект Соре). Если между отдельными частями системы поддерживается постоянная разность температур, то вследствие термодиффузии в объеме смеси появляются градиенты концентрации компонентов, что инициирует обычную диффузию
. Последняя в стационарном состоянии (при отсутствии потока вещества) уравновешивает термодиффузию, и в системе возникает разность концентраций компонентов. Это влияние лежит в основе одного из методов разделения изотопов, а также термодиффузионного разделения нефтяных фракций.
При внешнем воздействии на систему градиента давления или гравитационного поля возникает бародиффузия. Примеры: диффузионное осаждение мелких взвешенных частиц при столкновении их с молекулами газа (см. Пылеулавливание); баромембранные процессы - обратный осмос, микро- и ультрафильтрация (см. Мембранные процессы разделения , Осмос).
Действие на систему внешнего электрического поля вызывает направленный перенос заряженных частиц - электродиффузию. Примеры: электромембранные процессы, например, электродиализ - разделение под действием электрического тока ионизированных соединений вследствие избирательного переноса ионов через ионообменные мембраны; диффузия
носителей заряда - перемещение электронов проводимости и дырок, обусловленное неоднородностями их концентрации в полупроводниках.
Математически законы Фика аналогичны уравнениям теплопроводности Фурье. В основе такой аналогии лежат общие закономерности необратимых процессов перераспределения интенсивных параметров состояния (концентрации, температуры, давления и др.) между различными частями какой-либо системы при стремлении ее к термодинамическому равновесию. При малых отклонениях системы от него эти закономерности описываются линейными соотношениями между потоками физ. величин и термодинамическими силами, т. е. градиентами параметров, вызывающими указанные отклонения. В частности, диффузионный поток частиц данного типа, помимо градиентов концентраций частиц каждого типа, может при соответствующих условиях в большей степени определяться градиентами других интенсивных параметров и внешними силами. В общем виде связь между потоками и силами описывается феноменологическими уравнениями . Например, в случае электронейтральной бинарной газовой системы при наличии градиента температуры dТ/dх, градиента давления dр/dх и градиента электрич. потенциала d j/dx выражение для диффузионного потока частиц с зарядом q i в одномерном случае принимает вид:
где с - общее число частиц смеси в единице объема; n i = c i /c - относит. доля частиц i -гo компонента (i = 1, 2); D p , D T - коэф. баро- и термодиффузии; m i = q i D/kТ (соотношение Нернста - Эйнштейна) - подвижность частиц 1-го компонента в электрич. поле; k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура. Например, в бинарной газовой смеси при постоянном давлении и отсутствии внешних сил полный диффузионный поток
При отсутствии потока (J = 0) распределение концентраций находят по формуле:
где k T = D T /D 12 . Коэффициент D T
в значительной степени зависит от межмолекулярного взаимодействия, поэтому его изучение позволяет исследовать межмолекулярные силы в различных средах.
Одновременно с диффузионным переносом частиц посторонних веществ (примесей), неравномерно распределенных в какой-либо среде, происходит самодиффузия - случайное перемещение частиц самой среды, химический состав которой при этом не изменяется. Данный процесс, наблюдаемый даже в отсутствие в системе термодинамических сил, описывается уравнениями Фика, в которых D
заменен параметром D c , называемым коэффициентом самодиффузии. Эффекты самодиффузии могут приводить к сращиванию двух пришлифованных образцов одного и того же вещества, спеканию порошков при пропускании через них электрического тока, к растягиванию тел под действием подвешенного к ним груза (диффузионная ползучесть материалов) и т.д.
При взаимной диффузии в твердых телах поток атомов одного сорта может превосходить идущий в обратном направлении поток атомов другого сорта, если для нескомпенсированных вакансий (а возможно, и для нескомпенсированных атомов) имеются стоки. При этом в кристалле появляются поры, приводящие к нарушению устойчивости кристаллической решетки как механической системы и, вследствие этого, к смещению кристаллических плоскостей как целого (эффект Киркиндаля). В частности, при взаимной диффузии в бинарных металлических системах наблюдается перемещение "инертных" меток, например, тонких тугоплавких проволочек из Мо или W диаметром несколько мкм, внесенных в зону диффузии.
Скорость диффузионного массопереноса в различных веществах или материалах иногда удобно характеризовать константой их проницаемости П = Dg, где g - константа Генри, определяющая равновесную растворимость переносимого компонента. В частности, выражение для стационарного потока молекул газа, диффундирующих через разделительную перегородку (мембрану) толщиной d, имеет вид: J = ПgDр/d, где Dр - разность парциальных давлений разделяемых компонентов газовой смеси по обе стороны перегородки.
Коэффициенты диффузии
существенно различаются для диффузионных процессов в газовых и конденсированных (жидких и твердых) средах: наиболее быстро перенос частиц происходит в газах (D
порядка 10 - 4 м 2 /с при нормальных температуре и давлении), медленнее - в жидкостях (порядка 10 - 9), еще медленнее - в твердых телах (порядка 10 - 12). Проиллюстрируем указанные выводы на примерах молекулярной диффузии
.
Диффузия в газовых средах . Для оценки D в качестве характерного (среднего) смещения частиц принимают длину свободного пробега молекул l = u t, где и и t - средние скорость движения частиц и время между их столкновениями. В соответствии с первым соотношением Эйнштейна D ~ l 2 t -1 ; более точно D = 1/3 lu . Коэффициент диффузии обратно пропорционален давлению р газа, поскольку l ~ 1/р ; с повышением температуры Т (при постоянном объеме) D возрастает пропорционально T 1/2 , т. к.; с увеличением молярной массы газа D снижается. Согласно кинетической теории газов, коэффициенты взаимной диффузии газов А и В в бинарной смеси (табл. 1)
где р - полное давление в системе, т A и т B - массы газов, s A и s B - параметры потенциала Леннард-Джонса (см., например, Абсорбция).
Большой практический интерес представляет перенос газов через сквозные поры в твердых телах. При относительно малых давлениях газа или размерах пор (r 0), когда частота столкновений молекул газа со стенками пор превышает частоту взаимных столкновений молекул, т. е. средняя длина их свободного пробега l >> r 0 (для нормального давления при r 0 < 10 - 7 м), наблюдается так называемая кнудсеновская диффузия . При этом газовый поток через пористую перегородку пропорционален средней скорости молекул и константа газопроницаемости определяется из уравнения:
где N s - поверхностная плотность пор в перегородке. Поскольку средняя скорость молекул обратно пропорциональна квадратному корню из их масс , компоненты разделяемой газовой смеси проникают через поры мембраны с различными скоростями; в результате прошедшая через перегородку смесь обогащается более легкими компонентами. С увеличением давления газа в таких пористых системах возрастает поверхностная концентрация молекул, адсорбированных на стенках пор. Образовавшийся адсорбционный слой может оказаться подвижным и перемещаться вдоль поверхности поры, вследствие чего параллельно с объемным диффузионным переносом в ней возможна поверхностная диффузия
газа. Последняя оказывает иногда существенное влияние на кинетику химических превращений, обусловливая неравновесное распределение в системе взаимодействующих реагентов.
Диффузия в конденсированных средах . В жидкостях и твердых телах диффузия осуществляется перескоками частиц из одного устойчивого положения в другое, расстояние между ними имеет порядок межмолекулярного. Для таких перескоков необходимы локальная перестройка ближнего окружения каждой частицы (вероятность перестройки характеризуется энтропией активации DS ) и случайное накопление в этой области некоторого количества тепловой энергии E D (энергия активации диффузии ). После перескока каждая частица оказывается в новом энергетически выгодном положении, а выделяющаяся энергия рассеивается в среде. При этом D = D 0 exp(-E D /RT ), где D 0 = n*exp (DS/R) - энтропийный фактор, зависящий от частоты "тепловых ударов" молекул среды (n ~ 10 12 с - 1), R - газовая постоянная. Диффузионное движение частиц в жидкости определяется ее вязкостными свойствами, размерами частиц и характеризуется их так называемой подвижностью (~ D /kT откуда D ~ kT (второе соотношение Эйнштейна). Параметр (- коэф. пропорциональности между скоростью частицы и движущей силой F при стационарном движении с трением (и = (F). Напр., в случае сферически симметричных частиц радиусом г. для которых (= 1/6prh(T), справедливо уравнение Стокса-Эйнштейна: D = kT /6prh(T), где h(T) - коэффициент динамической вязкости среды в функции от температуры. Повышение D с увеличением температуры в жидкостях объясняется уменьшением плотности упаковки их молекул ("разрыхлением структуры") при нагреве и, как следствие, возрастанием числа перескоков частиц в единицу времени. Коэффициент диффузии разных веществ в жидкостях приведены в табл. 2 и 3; характерные значения E D ~ 20-40 кДж/моль.
Коэффициент диффузии в твердых органических телах имеют значительный разброс, достигая в ряде случаев значений, сравнимых с соответствующими параметрами в жидкостях. Наибольший интерес представляет диффузия газов в полимерах. Коэффициенты диффузии в них (табл. 4) зависят от размеров диффундирующих молекул, особенностей взаимодействия их с фрагментами макромолекул, подвижности полимерных цепей, свободного объема полимера (разность между реальным объемом и суммарным объемом плотно упакованных молекул) и неоднородностью его структуры.
Высокие значения D при температурах выше температуры стеклования полимеров обусловлены большой подвижностью в данных условиях фрагментов макромолекул, что приводит к перераспределению свободного объема и соответственно к возрастанию DS и уменьшению E D . При температурах ниже температуры стеклования коэффициенты диффузии имеют, как правило, меньшие значения. При диффузии в полимерах жидкостей значения D могут зависеть от концентрации растворенных компонентов вследствие их пластифицирующего действия. Коэффициенты диффузии ионов в ионообменных смолах в значительной степени определяются их влагосодержанием (среднее число п молекул воды, приходящееся на одну ионогенную группу). При высоком влагосодержании (п > 15) коэффициенты диффузии сопоставимы с соответствующими D для ионов в электролитах (см. табл. 5 и 3). При п < 10 коэффициенты диффузии экспоненциально снижаются с уменьшением п.
В твердых неорганических телах, где доля свободного объема и амплитуды колебаний атомов кристаллической решетки незначительны, диффузия обусловлена наличием нарушений в их структуре (см. Дефекты в кристаллах), возникающих при изготовлении, нагревании, деформациях и других воздействиях. При этом могут быть реализованы несколько механизмов диффузии : обмен местами атомов и обмен местами двух соседних атомов, одновременное циклическое перемещение нескольких атомов, передвижение их по междоузлиям и др. Первый механизм преобладает, например, при образовании твердых растворов замещения, последний - твердых растворов внедрения. Диффузионные процессы происходят с заметной скоростью только при высоких температурах. Например, как следует из табл. 6, коэффициенты диффузии О 2 в СаО и Сr 2 О 3 при повышении температуры с 20 до 300 °С возрастают соответственно в 2·10 10 и 3·10 39 раз. При массoпереносе в области линейных дислокаций и по поверхностным (границы зерен) дефектам в поликристаллических телах D увеличиваются на 4-5 порядков.
Для определения коэффициентов диффузии расчетные данные (концентрационные профили и потоки диффундирующих частиц, сорбиционно-десорбционные закономерности) сравнивают с экспериментальными. Последние находят с помощью различных физико-химических методов: изотопных индикаторов, рентгеновского микроанализа, гравиметрии, масс-спектрометрии, оптических (рефрактометрия, ИК спектроскопия) и др.
Среди многочисленных явлений в физике процесс диффузии относится к одним из самых простых и понятных. Ведь каждое утро, готовя себе ароматный чай или кофе, человек имеет возможность наблюдать эту реакцию на практике. Давайте узнаем больше об этом процессе и условиях его протекания в разных агрегатных состояниях.
Что такое диффузия
Данным словом именуется проникновение молекул или атомов одного вещества между аналогичными структурными единицами другого. При этом концентрация проникающего соединений выравнивается.
Впервые этот процесс был подробно описан немецким ученым Адольфом Фиком в 1855 г.
Название данного термина было образовано от латинского diffusio (взаимодействие, рассеивание, распространение).
Диффузия в жидкости
Рассматриваемый процесс может происходить с веществами во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Чтобы отыскать практические примеры этого, стоит просто заглянуть на кухню.
Варящийся на плите борщ - это один из них. Под действием температуры молекулы глюкозинбетанина (вещества, благодаря которому свекла обладает таким насыщенным алым цветом) равномерно реагируют с молекулами воды, придавая ей неповторимый бордовый оттенок. Данный случай - это в жидкостях.
Помимо борща, данный процесс можно увидеть и в стакане чая или кофе. Оба эти напитка имеют столь равномерный насыщенный оттенок благодаря тому, что заварка или частички кофе, растворяясь в воде, равномерно распространяются между ее молекулами, окрашивая ее. На этом же принципе построено действие всех популярных растворимых напитков девяностых: Yupi, Invite, Zuko.
Взаимопроникновение газов
Атомы и молекулы, переносящие запах, находятся в активном движении и вследствие него перемешиваются с частицами, уже содержащимися в воздухе, и довольно равномерно рассеиваются в объеме помещения.
Это проявление диффузии в газах. Стоит отметить, что само вдыхание воздуха тоже относится к рассматриваемому процессу, как и аппетитный запах свежеприготовленного борща на кухне.
Диффузия в твердых телах
Кухонный стол, на котором стоят цветы, застелен скатертью яркого желтого цвета. Подобный оттенок она получила благодаря способности диффузии проходить в твердых телах.
Сам процесс придания полотну какого-то равномерного оттенка проходит в несколько этапов следующим образом.
- Частички желтого пигмента диффундировали в красильной емкости по направлению к волокнистому материалу.
- Далее они были впитаны внешней поверхностью окрашиваемой ткани.
- Следующим шагом была снова диффузия красителя, но на этот раз уже внутрь волокон полотна.
- В финале ткань зафиксировала частички пигмента, таким образом окрасившись.
Диффундирование газов в металлах
Обычно, говоря об этом процессе, рассматривают взаимодействия веществ в одинаковых агрегатных состояниях. Например, диффузия в твердых телах, твердых веществах. Для доказательства этого явления проводится опыт с двумя прижатыми друг к другу металлическими пластинами (золото и свинец). Взаимопроникновение их молекул происходит довольно долго (один миллиметр за пять лет). Этот процесс используется для изготовления необычных украшений.
Однако диффундировать способны и соединения в разных агрегатных состояниях. К примеру, существует диффузия газов в твердых телах.
В процессе экспериментов было доказано, что подобный процесс протекает в атомарном состоянии. Для его активации, как правило, нужно значительно повышение температуры и давления.
Примером такой газовой диффузии в твердых телах является водородная коррозия. Она проявляется в ситуациях, когда возникшие в процессе какой-нибудь химической реакции атомы водорода (Н 2) под действием высоких температур (от 200 до 650 градусов Цельсия) проникают между структурными частицами металла.
Помимо водорода, в твердых телах диффузия кислорода и других газов также способна происходить. Этот незаметный глазу процесс приносит немало вреда, ведь из-за него могут рушиться металлические сооружения.
Диффундирование жидкостей в металлах
Однако не только молекулы газов могут проникать в твердые тела, но и жидкостей. Как и в случае с водородом, чаще всего такой процесс приводит к коррозии (если речь идет о металлах).
Классическим примером диффузии жидкости в твердых телах является коррозия металлов под воздействием воды (Н 2 О) или растворов электролитов. Для большинства этот процесс более знаком под названием ржавления. В отличие от водородной коррозии, на практике с ним приходится сталкиваться значительно чаще.
Условия ускорения диффузии. Коэффициент диффузии
Разобравшись с тем, в каких веществах может происходить рассматриваемый процесс, стоит узнать об условиях его протекания.
В первую очередь быстрота диффузии зависит от того, в каком агрегатном состоянии пребывают взаимодействующие вещества. Чем больше в котором происходит реакция, тем медленнее ее скорость.
В связи с этим диффузия в жидкостях и газах всегда будет проходить более активно, нежели в твердых телах.
К примеру, если кристаллы перманганата калия KMnO 4 (марганцовка) бросить в воду, они в течение нескольких минут придадут ей красивый малиновый цвет. Однако если посыпать кристаллами KMnO 4 кусочек льда и положить все это в морозилку, по прошествии нескольких часов перманганат калия так и не сможет полноценно окрасить замороженную Н 2 О.
Из предыдущего примера можно сделать еще один вывод об условиях диффузии. Помимо агрегатного состояния, на скорость взаимопроникновения частиц влияет также и температура.
Чтобы рассмотреть зависимость от нее рассматриваемого процесса, стоит узнать о таком понятии, как коэффициент диффузии. Так называется количественная характеристика ее скорости.
В большинстве формул она обозначается при помощи большой латинской литеры D и в системе СИ измеряется в квадратных метрах на секунду (м²/с), иногда - в сантиметрах за секунду (см 2 /м).
Коэффициент диффузии равен количеству вещества, рассеивающегося через единицу поверхности на протяжении единицы времени, при условии, что разность плотностей на обеих поверхностях (расположенных на расстоянии равном единице длины) равна единице. Критерии, определяющие D, - это свойства вещества, в котором происходит сам процесс рассеивания частиц, и их тип.
Зависимость коэффициента от температуры можно описать при помощи уравнения Аррениуса: D = D 0exp (-E/TR).
В рассмотренной формуле Е - минимальная энергия, необходимая для активации процесса; Т - температура (измеряется по Кельвину, а не Цельсию); R - постоянная газовая, характерная для идеального газа.
Помимо всего вышеперечисленного, на скорость диффузии в твердых телах, жидкости в газах влияет давление и излучение (индукционное или высокочастотное). Кроме того, многое зависит от наличия катализирующего вещества, часто именно оно выступает в роли пускового механизма для начала активного рассеивания частиц.
Уравнение диффузии
Данное явление - частный вид уравнения дифференциального при частных производных.
Его цель - отыскать зависимость концентрации вещества от размеров и координат пространства (в котором оно диффундирует), а также времени. При этом заданный коэффициент характеризует проницаемость среды для реакции.
Чаще всего уравнение диффузии записывают следующим образом: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .
В нем φ (t и r) — плотность рассеивающегося вещества в точке r во время t. D (φ, r) — диффузии обобщенный коэффициент при плотности φ в точке r.
∇ — векторный дифференциальный оператор, компоненты которого по координатам относятся к частным производным.
Когда коэффициент диффузии зависим от плотности, уравнение является нелинейным. Когда нет — линейным.
Рассмотрев определение диффузии и особенности данного процесса в разных средах, можно отметить, что он имеет как положительные, так и отрицательные стороны.
Диффузия - это (дословно) рассеивание, растекание, распространение. Физически характеризует процесс переноса энергии или материи из высококонцентрированной области в область с пониженной концентрацией. Наиболее распространенное явление, с которым связана диффузия - это перемешивание молекул газов (например, когда аромат духов распространяется в воздухе) или жидкостей. Этот же процесс можно наблюдать и в твердых телах. Например, если конец стержня зарядить электрически или нагреть, то тепло (или заряд) постепенно будет распространяться от горячего участка к холодному. При этом если взять металлический предмет, то тепло будет распространяться достаточно быстро, а электрический ток - мгновенно. Если же стержень из синтетического материала, то тепловое распространение будет протекать медленно, а электрическое - еще медленнее. Диффузия твердых тел происходит с еще более низкой скоростью.
Следует отметить, что этот термин (как и многие другие) применяется сегодня не только в физике.
Существует, например, такое понятие, как диффузия инноваций. Это такой процесс, при помощи которого во времени осуществляется передача нововведения хозяйствующим субъектам по коммуникационным каналам. В этом случае диффузия - это информационное распространение, скорость и форма которого зависят от используемых Большое значение имеют и особенности восприятия информации субъектами, ведущими хозяйственную деятельность, а также их способность к практическому применению полученных сведений. При диффузии инновации, уже освоенной однажды и примененной в другой местности, в новых местах и условиях возрастает количество потребителей и производителей. Непрерывность процесса формирует границы и формы распространения нововведений в рыночной экономике.
Эксперты отмечают, что в условиях ведения хозяйственной деятельности диффузия имеет характер циклический. При этом осуществление всего процесса внедрения, распространения нововведений разделен на определенные стадии: фундаментальное и прикладное исследование, разработка и проектирование, строительство, освоение, а также промышленное производство, маркетинг и сбыт.
Культурная диффузия - это понятие, которое используется в социальной сфере. Характеризует процесс взаимного проникновения некоторых черт из одной социальной группы в другую при их соприкосновении. При этом диффузия может и не оставить никакого отпечатка ни на одной из взаимодействующих культур. Может, однако, случиться и так, что это проникновение спровоцирует сильное и равное (или одностороннее) влияние. Каналы, по которым проходит диффузия, - это главным образом туризм, война, торговля, научные конференции, ярмарки и выставки, обмен специалистами и студентами.
Распространение нововведений в социальной сфере может осуществляться по двум направлениям: горизонтально или вертикально.
Горизонтальное проникновение (межгрупповая диффузия) отмечается между индивидами, группами, равными по статусу.
Вертикальное распространение происходит между субъектами, обладающими неравным статусом. Этот процесс называют стратификационной диффузией.
Характеризуется ярко выраженной символической поляризацией населения. По мнению ряда культурологов, примером образа жизни и стиля сегодня (как для высшего, так и для низшего класса) считается средний класс.
Приносит в общество как позитивные, так и негативные черты. Так, распространение высоких представлений о жизни в средние и (в особенности) низшие слои означает, с одной стороны, просвещение и демократизацию народа. С другой же стороны, высокая культура в этом случае может быть воспринята примитивно и пошло.
Все, что происходит с нами и вокруг нас всегда вызывает интерес. Одним из интересных процессов, которым интересуются многие люди, является диффузия. Если вам интересно, диффузия что такое, то наша статья будет полезной.
Что такое диффузия?
Диффузия представляет собой процесс, когда смесь переходит из области с высокой концентрацией в области низкой концентрацией. Причиной этого является перемещение атомов и молекул. Обычно причиной служит тепло, под воздействием которого весь процесс и происходит. Заканчивается он тогда, когда градиент концентрации кончается.
Диффузия газов и жидкостей происходит быстро, что нельзя сказать о твердых веществах. Это легко заметно в обычной жизни, ведь нагреть воду гораздо быстрее, чем растопить пластмассу. Для сравнения многие люди смешивают в оду с марганцовкой, которая окрашивает жидкость за пару секунд. А вот проделать это с пластилином уже невозможно. Если два куска пластилина смешать, то для того чтобы они взаимодействовали, необходимо приложить немало усилий. Это еще раз подтверждает, что скорость диффузии может быть различной. Синтетические материалы подвержены слабой диффузии, а металлические наоборот.
Диффузировать могут частицы, которые всегда находятся в веществе. Также этому процессу поддаются и посторонние вещества.
Как вызвать диффузию?
Чтобы диффузия произошла в газах и жидкостях необходимо применить броуновское движение. Оно представляет собой движение молекул под воздействием высоких температур.
Для того чтобы вызвать диффузию твердых веществ можно использовать диффузный насос. В нем есть масло, которое нагревается и поднимается вверх, а там уже происходит откачивание. Пары в это время проходят вверх и по специальным каналам насоса опускаются вниз для охлаждения. По пути они захватывают газы и уносят их с собой. Пар конденсируется и стекает в специальную емкость. Все это позволяет добиваться минимального давления.
Виды диффузии
Диффузия может быть:
- коллоидная;
- конвективная;
- квантовая;
- турбулентная.
Первый вид диффузии представляет собой процесс, который происходит в твердых телах. Турбулентная – это перенос мельчайших частиц в потоке турбулентности. Квантовая диффузия отмечается там, где очень низкие температуры и присутствует конденсат. Конвективная диффузия происходит, когда частицы двигаются в среде, которая тоже двигается с особой скоростью.
Нередко можно наблюдать, как к диффузии относят явления, во время которых не переносятся частицы. Например, в оптике можно встретить процесс переноса излучения в среде, которая отличается неоднородностью. Это процесс должен сопровождаться поглощением фотонов, что и называют диффузией.
Где можно увидеть диффузию в жизни?
Самым легким примером показа того, как работает диффузия, является наше дыхание. Кислород попадает в наши легкие при их раскрытии, а потом перемещается в кровь. С помощью диффузии углекислый газ не скапливается вокруг человека, а смешивается с кислородом и рассеивается равномерно по воздуху. Наблюдать данный процесс можно и в других сферах жизни.
- Молитвы от блуда Кому помолиться от блуда в семье
- Сила позитивного мышления — Пил Норман Винсент Пил норман сила позитивного мышления читать pdf
- Литературный вечер "жизнь и творчество марины ивановны цветаевой" Лит вечер посвященный цветаевой в библиотеке
- Страховые компании с отозванными лицензиями Ли лицензия у страховой