Что такое диффузия 7 класс физика кратко и понятно
Диффузия
Из Википедии — свободной энциклопедии
Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения.
Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит с огромной скоростью. Если же стержень изготовлен из материала с низкой теплопроводностью (например, стекла), тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, Роберт Бойль показал, что если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь. При этом при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет. [3] Другой пример — систематические исследования диффузии свинца в золото, проведенные Уильямом Робертсом-Остеном и опубликованные в 1896 г. Под грузом за пять лет свинцовый слиток проник в золотой слиток на один миллиметр. [4]
Первое систематическое экспериментальное исследование диффузии было выполнено Томасом Грэмом. Он изучал диффузию в газах, и это явление (Закон Грэма) было описано им в 1831—1833 гг. [5]
Большой вклад в теорию и практику исследования дифузионных процессов внес Я. И. Френкель, предложив и развив в 1926 году идею диффузии локальных дефектов (вакансий и межузельных атомов). [7]
Диффузия
Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы.
Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность, вязкое трение и т. п.
Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.
Количественно описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком (англ.) в 1855 г.
Содержание
Общее описание
Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.
Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.
Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235 U от основной массы 238 U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.
Уравнения Фика
С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала
В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал перестаёт быть связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то вышеприведённую формулу можно заменить на следующую:
которая показывает, что плотность потока вещества J [
] пропорциональна коэффициенту диффузии D [(
)] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):
Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса.
Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера—Планка. Процессы диффузии имеют большое значение в природе:
Геометрическое описание уравнения Фика
Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения концентрации во времени, а в правой части уравнения — вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение концентрации, в частности, выпуклость функции распределения температур, проецируемую на ось х.
Нескучный урок физики в 7-м классе по теме: «Диффузия»
Разделы: Физика
Тип урока: комбинированный.
Ход урока.
1. Оргмомент
2. Повторение
(На столе листы с текстом физического диктанта (1-2 вариант). Школьники записывают под соответствующим номером «да», если они считают это утверждение верным, или «нет», если считают его неверным)
3. Основной материал.
Урок начинаю с распыления освежителя; в случае, если ученик почувствовал запах, он должен встать. Таким образом, постепенно, через пару минут, встанут все учащиеся класса. Они безошибочно определят, что за освежитель был распылен.
У меня на столе в высокий стакан налиты две жидкости: снизу голубой раствор медного купороса, сверху – вода; между ними резкая граница. Если купорос и вода способны самопроизвольно смешаться, то граница между ними должна исчезнуть. Предлагаю ученикам следить за этой границей между жидкостями.
В это время демонстрирую диффузию газов на следующем опыте: к внутренним стенкам высокого цилиндрического сосуда прикрепляю смоченные фенолфталеином полоски белой бумаги. Цилиндр закрываю сверху картоном с прикрепленным к нему кусочком ваты, смоченной нашатырным спиртом. Газ аммиак диффундирует вниз. Если аммиак и воздух перемешиваются, то рано или поздно полоски бумаги окрасятся в ярко-малиновый цвет.
Предлагаю также следить за их цветом.
Хорошо очищенные и плотно прижатые друг к другу пластины из золота и свинца диффундируют на глубину 1мм за 5 лет.
Демонстрация диффузии кристаллов йода на стекле под слоем парафина.
(парафин около кристалликов йода окрасился в коричневый цвет)
Учитель: Итак, что же произошло за это время в первых двух экспериментах?
Учащиеся: Граница между жидкостями не изменилась, а листочки окрасились, т.е. аммиак и воздух перемешались в сосуде.
Учитель: Однако смотрите, что получилось в стакане, куда аккуратно налили купорос и воду неделю назад.
Учащиеся: Граница размыта, купорос и вода перемешались.
Учитель: Сформулируйте ответ, вытекающий из наблюдений и опытов.
Учащиеся: Если привести в соприкосновение твердые тела, жидкости или газы из разных веществ, то они сами собой смешиваются.
Учитель: Мы познакомились с новым явлением, в физике оно известно под названием ДИФФУЗИЯ.
(Работа с учебником, запись определения в тетрадь.)
Явление, при котором происходит самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называют диффузией
(В итоге, в тетради обучающихся и на доске создается опорный конспект. Смотри приложение №1.)
(Достаточно эффектно видно, как проникают крупинки пшена в промежутки между горошинами)
После проведенного эксперимента и беседы с учащимися подчеркиваю, что явление диффузии происходит без вмешательства извне, за счет движения самих молекул, т.е. может быть объяснено только тем, что молекулы беспрерывно и беспорядочно движутся и сталкиваются.
Учитель: Как будет вести себя маленькая частичка нерастворимого вещества в жидкости, если окружающие ее молекулы жидкости непрерывно и беспорядочно движутся?
Учащиеся: Молекулы, окружающие частицу, движутся в разных направлениях, часть из них ударяются о частицу. Поскольку частица маленькая, она может двигаться под действием этих ударов. Т.к. молекулы движутся беспорядочно, то число ударов с разных сторон в один и тот же момент различно, и частица будет двигаться то в одну, то в другую сторону, беспорядочно.
(демонстрация с помощью прибора «Модель броуновского движения»)
Явление беспорядочного движения взвешенных нерастворимых частиц вещества в жидкости или газе называют броуновским движением.
Откуда такое название, вы узнаете дома из учебника. Пронаблюдать броуновское движение можно под микроскопом, на перемене это каждый сможет сделать.
Различие в скорости протекания диффузии твердых тел, жидкостей и газов объясняют ученики.
4. Закрепление.
5. Итоги урока
Что такое диффузия 7 класс физика кратко и понятно
1. Как возникают запахи?
Молекулы всех тел непрерывно и беспорядочно движутся.
2. Что такое диффузия?
Если в сосуд налить водный раствор медного купороса синего цвета, а сверху осторожно, налить чистую воду, то вначале видна четкая граница раздела между водой и раствором купороса, т.к. он тяжелее воды. Через некоторое время граница раздела расплывается, а затем совсем исчезает. Всосуде образуется однородная светло-голубая жидкость. Жидкости перемешались.
Взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга, происходящее вследствие беспорядочного движения частиц вещества, называют диффузией.
Вследствие своего движения отдельные молекулы одного вещества проникают в промежутки между молекулами другого вещества.
Граница соприкосновения двух веществ становится расплывчатой.
Так как молекулы движутся непрерывно и беспорядочно, то этот процесс приводит к тому, что молекулы двух веществ перемешиваются.
3. Как проходит диффузия в газах, жидкостях и твердых телах?
Глубина диффузии между двумя соприкасающимися веществами зависит от их вида.
Быстрее всего диффузия происходит между газами.
Вот почему так опасно, если газовая горелка в газовой плите внезапно гаснет.
В жидкостях диффузия происходит медленнее, чем в газах.
Причина того в том, что расстояние между молекулами в жидкостях значительно меньше, чем в газах.
Диффузия в твердых телах происходит очень медленно.
Однажды отшлифованные пластины свинца и золота положили одну на другую и сжали грузом.
При обычной комнатной температуре (около 20°С) за 5 лет золото и свинец взаимно проникли друг в друга на расстояние порядка 1 мм.
Происходит диффузия и между газами и жидкостями, жидкостями и твердыми телами, газами и твердыми телами, но с различными скоростями.
4. Примеры диффузии в природе и технике:
Кислород из окружающей среды благодаря диффузии проникает внутрь организма через кожу человека.
Питательные вещества благодаря диффузии проникают из кишечника в кровь животных.
Диффузия происходит и при спайке металлических деталей.
Главное:
Молекулы всех тел непрерывно и беспорядочно движутся.
Взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга, происходящее вследствие беспорядочного движения частиц вещества, называют диффузией.
Диффузия проходит между всеми веществами, но с разной скоростью.
Быстрее всего диффузия происходит между газами.
В жидкостях диффузия происходит медленнее, чем в газах.
Диффузия в твердых телах происходит очень медленно.
Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах. Физика. 7 класс. Разработка урока
Цели урока:
Задачи урока: сформировать понятие о диффузии в жидкостях, твердых телах и газах; в целях развития научного мировоззрения учащихся показать роль физического эксперимента и наблюдений в физике; развивать умения выделять общие признаки явлений.
Тип урока: комбинированный.
ТСО: компьютер, экран, проектор.
Оборудование: (15 шт.)
Используемые источники:
Интернет-ресурсы:
Ход урока
1. Организационный момент (слайд 1)
Современному человеку нельзя обойтись без знаний основ физики, чтобы иметь правильное представление об окружающем нас мире. Сегодня вы много узнаете о законах природы, покорите еще одну вершину «Знаний». Джина «Познания», однажды выпущенного на волю, невозможно опять вернуть в пустую, заплесневелую бутылку. Да мы и не будем пытаться делать это. Пусть будет свободным, как полет вашей мысли и фантазии!
2. Повторение (фронтальный опрос) (слайды 2–6)
Пример №1: в 1 см³любого газа при нормальных условиях (0° С и 760 мм рт. ст.)содержится около 2,7 • 10 19 молекул.
Пример № 2: если взять число кирпичей, равное числу молекул в 1 см 3 газа при нормальных условиях, то, будучи плотно уложены, эти кирпичи покрыли бы поверхность всей суши земного шара слоем высотой 120 м, т. е. высотой, превосходящей почти в четыре раза высоту 10-этажного дома.
3. Новая тема (выполнение эксперимента и беседа с учащимися)
Задание № 1 (слайд 7)
Если открыть пробирку с ватой, смоченной нашатырным спиртом, то мы почувствуем запах, который распространяется по классу. Это происходит, потому что молекулы спирта постоянно движутся. Движение молекул нельзя обнаружить ни в лупу, ни в микроскоп. Двигаясь в воздухе, молекулы спирта сталкиваются с молекулами газов, входящих в состав воздуха (азотом, кислородом, углекислым газом). При этом они постоянно меняют направление движения, и беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате. Поэтому, двигаясь очень быстро, молекулы спирта доносят запах до разных концов довольно медленно.
Задание № 2 (слайд 8)
При обсуждении результатов опыта внимание учащихся я обращаю на появление окрашенного пятна в форме круга, подтверждающего беспорядочное движение молекул марганца.
Вывод: Мы с вами знаем, что все тела состоят из отдельных частиц (молекул), между ними есть промежутки. Частицы движутся беспорядочно и хаотично. При своем движении молекулы марганца проникают в промежутки между молекулами воды.
В физике это явление названо диффузией (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание).
ДИФФУЗИЯ – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества в результате их хаотического движения и столкновений друг с другом.
Сделайте вывод, где происходит диффузия быстрее: в газах или в жидкостях?
Диффузия в газах происходит быстрее, чем в жидкостях.
Как вы думаете, почему?
– Происходит ли диффузия в твердых телах? (Слайды 15, 16.)
В твердых телах диффузия происходит, но медленнее, чем в жидкостях. В твердых телах расстояния между частицами совсем маленькие. Они такие же, как размеры самих частиц. Проникновение через такие малые промежутки частиц другого вещества крайне затруднено и поэтому происходит очень медленно.
Запах духов, как известно, ощущается на довольно большом расстоянии. Объясняется это тем, что пары духов легко диффундируют в воздухе. Капли жидкого красителя в воде также легко диффундируют по всему сосуду. Намного труднее наблюдать диффузию в твёрдом теле. По этой причине изучение диффузии в твёрдых телах стало одним из наиболее интересных исследований в физике наших дней. Как и во многих других областях человеческой деятельности, в данном случае умение предшествовало знанию. Столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твёрдого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896 году началось научное изучение проблемы.
Английский металлург Вильям Роберте – Аустин в простом эксперименте измерил диффузию золота в свинце. Он наплавил тонкий диск золота на конец цилиндра из чистого свинца длиной в 1 дюйм (2,45 см), поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 200 °С, и держал его в печи 10 дней. Затем он разрезал цилиндр на тонкие диски и измерил количество золота, которое продиффундировало (проникло) в каждый срез свинца. Оказалось, что к «чистому» концу через весь цилиндр прошло вполне измеримое количества золота, в противоположном направлении, в глубь золотого диска, продиффундировал свинец. Роберте – Аустин обнаружил, что нагретый металл диффундирует в другой конец, когда они тесно прижаты друг к другу.
Известен опыт, в котором гладко отшлифованные пластины свинца и золота пролежали друг на друге 5 лет. За это время золото и свинец продиффундировали (проникли) друг в друга на расстояние около 1 мм.
Задание № 3 (слайд 17)
Сделайте вывод, как зависит скорость диффузии от температуры: «Чем выше температура, тем… проходит диффузия».
– Почему при более высокой температуре диффузия происходит быстрее?
Процесс диффузии ускоряется с увеличением температуры. Это происходит потому, что с увеличением температуры увеличивается скорость движения молекул. Таким образом, явление диффузии протекает по-разному при разной температуре: чем выше температура вещества, тем быстрее происходит диффузия.
– Давайте обобщим все то, о чем мы говорили на уроке (слайд 18).
Явление диффузии можно объяснить лишь в том случае, если считать, что:
Явление диффузии имеет важные проявления в природе, используется в науке и на производстве (слайд 19).
Воздух, как известно, представляет собой смесь газов. Однако вследствие диффузии на одной высоте от Земли состав атмосферы оказывается достаточно однородным.
Диффузия играет важную роль в питании растений, переносе питательных веществ, кислорода в организме человека и животных.
Она широко используется в пищевой промышленности при консервировании овощей и фруктов, при засолке огурцов.
Диффузия нашла применение в электронной промышленности. С ее помощью изготавливают многие полупроводниковые приборы.
Диффузия используется и при выплавке стали. Для придания стальным деталям значительной прочности их помещают в специальные печи, где, находясь в разогретом состоянии, они насыщаются углеродом. Атомы углерода проникают в поверхностный слой металла и повышают его прочность.
Порою диффузия бывает вредным и даже опасным явлением. Горючий природный газ, например, которым мы пользуемся дома для приготовления пищи, не имеет ни цвета, ни запаха, поэтому трудно сразу заметить его утечку. А при утечке за счёт диффузии газ распространяется по всему помещению. Между тем при определённом соотношении газа с воздухом в закрытом помещении образуется смесь, которая может взорваться, например, от зажжённой спички. Газ может вызвать и отравление людей.
Чтобы сделать поступление газа в помещение заметным, на распределительных станциях горючий газ предварительно смешивают с особыми веществами, обладающими резким неприятным запахом, который легко ощущается человеком даже при весьма малой его концентрации. Такая мера предосторожности позволяет быстро заметить накопление газа в помещении, если образовалась его утечка.
Работа в группах (слайд 22)
Обсуждение результатов, полученных в группах.
4. Закрепление
Подумай и ответь (слайд 23)
Тест на усвоение понятия «диффузия» (слайд 24)
Условия прохождения диффузии:
а) имеются различные вещества;
б) между ними существует тесный контакт;
в) происходит самопроизвольное смешивание.
Закон прохождения диффузии— чем выше температура, тем быстрее происходит диффузия.
Рассмотрите следующие опыты и выберите ответ. Опыты:
А. Наблюдается диффузия, так как выполняются все условия.
Б. Диффузии нет, так как отсутствует условие а).
В. Диффузии нет, так как отсутствует условие б).
Г. Диффузии нет, так как отсутствует условие в).
Д. Опыт отражает закон диффузии.
ОТВЕТЫ: 1Д; 2А; 3В; 4Б; 5Г
Домашняя работа §9, домашний эксперимент.
(Слайд 25, гиперссылка.)
Выполнение учебного исследования по общему плану экспериментальной деятельности (эксперимент).
Лабораторная работа «Определение времени прохождения диффузии»
Цель:определить при каких температурах, высоких или низких, диффузия происходит быстрее.
Приборы:термометр, часы.
Тела и материалы: 2 стакана; марганцовокислый калий или медный купорос; вода.
Гипотеза: предполагаем, что при высоких температурах диффузия будет происходить быстрее.
Условия успешного проведения опыта:
Порядок выполнения:
Фиксирование информации:
При какой температуре диффузия происходит быстрее? Что происходит с молекулами вещества при нагревании, как изменяется их скорость и проникающая способность?
Опишите и сделайте вывод.