Что такое диффузия это беспорядочное движение молекул вызываемое нагреванием

Диффузия

Содержание

Моделью вещества, состоящего из постоянно движущихся молекул, объясняются некоторые физические явления. К примеру, диффузия — проникновение молекул одного вещества в молекулы другого. Рассмотрим данное явление подробнее.

Начнем с газообразных тел. Представьте, что вы сидите за уроками в своей комнате и вдруг почувствовали вкусный запах с кухни. Почему это произошло? Блюдо, которое готовится к обеду, состоит из большого числа молекул, которые все время движутся и сталкиваются: мясо, масло, специи.

При нагревании отдельные молекулы отделились от остальных, смешавшись с молекулами воздуха и стали перемещаться по квартире. Это явление уже упоминавшейся диффузии — взаимное проникновение молекул разных веществ.

Диффузия может происходить в жидкостях и даже в твердых телах, но только значительно медленнее.

Другой вопрос: почему же запахи не доносятся до нас мгновенно? Мы уже упоминали о беспрерывном и хаотичном движении молекул воздуха. таким образом, молекулы постоянно сталкиваются, меняют свое направление, и беспорядочно перемещаясь, разлетаются по помещению.

Рассмотрим опыт, который покажет нам, что молекулы, из которых состоят тела, находятся в беспорядочном движении и в жидких телах (рисунок 12).

Рисунок 12. Иллюстрация опыта с водой и медным купоросом.

Для начала нальем в стакан раствор медного купороса темно-голубого цвета (часто используется как бытовой антисептик). Затем аккуратно нальем в этот же стакан воды.

Вначале между жидкостями будет видна резкая граница, но со временем она будет размываться. Через 2-3 недели граница исчезнет совсем: процесс диффузии завершится.

Если рассмотреть данный процесс на молекулярном уровне (рисунок 13), то прекрасно видно, что молекулы воды и медного купороса на границе раздела этих двух жидкостей начинают меняться местами, а со временем жидкость в стакане и вовсе станет однородной.

Рисунок 13. Диффузия в жидкостях (раствор медного купороса и вода).

Рисунок 14. Диффузия в твердых телах (золото и свинец).

Диффузия — это явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого

Как мы уже говорили, явление диффузии объясняется непрерывным хаотичным движением молекул, в процессе которого молекулы одного вещества проникают в межмолекулярные промежутки другого.

Процесс диффузии напрямую зависит от температуры, т.к. с увеличением температуры увеличивается скорость движения молекул.

Процесс диффузии окружает нас как в повседневной жизни, так и в природе. Зачем мы завариваем чай в кипятке, ведь потом нужно ждать, пока он остынет? Почему не разогреть воду только до комфортной температуры?

Ответ — чтобы ускорить процесс диффузии. В кипятке диффузия между молекулами чая, сахара и воды будет происходить намного быстрее, и чай заварится быстрее и лучше.

В промышленности диффузия широко используется в технике при сварке деталей, склеивании. В природе благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха рядом с поверхностью Земли, а диффузия солей в почве позволяет растениям получать нормальное питание.

Источник

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.

Источник

Движение молекул в физике в газах, жидкостях и твёрдых телах с примерами

Содержание:

Движение молекул:

Почему запах духов распространяется по всей комнате? Могут ли «срастись» два кусочка металла? От чего зависит скорость движения атомов и молекул? На эти и другие вопросы вы сможете ответить, прочитав этот параграф.

Тепловое движение

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.

Определение диффузии

Бесспорным доказательством движения молекул служит физическое явление, хорошо известное вам из курса природоведения,— диффузия (от лат. diffusio — распространение, растекание).

Напомним, что диффузией называют взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга, происходящее в результате теплового (хаотического) движения молекул (атомов).

Диффузия в газах и жидкостях

Вспомните, что происходит, если где-то в комнате разлить ароматное вещество, например духи,— его запах в скором времени будет ощущаться повсюду. 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 запах свежеиспеченного хлеба из булочной или запах прогретой солнцем травы.

Диффузию можно наблюдать и в жидкостях. Проведем такой опыт. В прозрачный сосуд с чистой водой с помощью воронки нальем раствор медного купороса так, чтобы жидкости не смешались (рис. 2.15). Сначала мы наблюдаем резкую границу между водой и раствором медного купороса. Оставив сосуд в покое на несколько дней, мы увидим, что вся жидкость в сосуде приобрела бирюзовый цвет (рис. 2.16). Причем перемешивание жидкостей произошло без вмешательства извне. Схематически процесс диффузии изображен на рис. 2.17. Многочисленные опыты свидетельствуют, что диффузия в жидкостях протекает значительно медленнее, чем в газах. Еще медленнее происходит диффузия в твердых телах. Почему? Ответ на этот вопрос следует искать в особенностях расположения молекул газов, жидкостей и твердых тел.

Как связаны скорость движения молекул и температура

Приготовим два сосуда, как показано на рис. 2.15. Один из сосудов поставим в теплое место, второй — в холодное. Посмотрев через некоторое время на сосуды, мы убедимся, что в теплом растворе диффузия произошла намного 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 (рис. 2.18, а) и на несколько дней поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 400 °С. Оказалось, что золото продиф-фундировало через весь цилиндр (рис. 2.18, б); тем временем при комнатной температуре диффузия практически не наблюдалась.

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

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.

Диффузия в природа и ее применение в технике

Явление диффузии очень распространено в природе. Благодаря диффузии углекислый газ попадает в листву растений; кислород из воздуха — на дно водохранилищ; питательные вещества впитываются в кишечнике; кислород из легких попадает в кровь, а из крови — в ткани и т. д.

Диффузию широко применяют в технике. Одним из примеров является диффузное сваривание металлов. Куски металлов крепко прижимают друг к другу, нагревают до высокой

температуры, но ниже температуры плавления. В месте соединения происходит диффузия, и куски металлов как будто срастаются.

Атомы и молекулы, из которых состоит вещество, находятся в беспрерывном хаотическом движении. Такое движение называется тепловым, поскольку увеличение температуры вещества соответствует увеличению средней скорости движения его молекул (атомов).

Одним из доказательств движения частиц вещества является физическое явление, которое называется диффузией. Диффузия — взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга, происходящее в результате теплового хаотического движения молекул (атомов).

Движение и взаимодействие молекул

Что такое броуновское движение

Броуновское движение — хаотическое движение видимых в микроскоп малых макрочастиц, взвешенных в жидкости или газе, которое происходит под действием ударов молекул.

Это явление названо в честь шотландского ботаника Роберта Броуна (1773–1858), который первым наблюдал его в 1827 г. Рассматривая в микроскоп взвешенные в воде частички пыльцы, Броун заметил, что они непрерывно движутся, постоянно изменяя скорость.

Причина броуновского движения — хаотическое движение молекул жидкости или газа. Двигаясь, молекулы среды непрерывно бомбардируют взвешенную в ней макрочастицу (рис. 27.1). Если суммарная сила ударов с одной стороны случайно окажется больше, чем с другой, то макрочастица может начать движение; потом другие толчки изменят ее скорость.

Теория броуновского движения, созданная А. Эйнштейном и польским физиком M. Смолуховским в 1905–1906 гг. и экспериментально подтвержденная французским физиком Ж. Перреном (рис. 27.2), окончательно закрепила победу атомистики.

Что такое диффузия и где ее применяют

Непрерывное хаотическое движение молекул происходит внутри любого макроскопического тела. В курсе физики 7 класса вы изучали диффузию — еще одно явление, обусловленное таким движением (от лат. diffusio — распространение, растекание).

Диффузия — процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, происходящий вследствие теплового движения молекул.

Если в стакан с водой налить подкрашенный сахарный сироп, спустя некоторое время вода в стакане окрасится и станет сладкой (рис. 27.3, а).

Рис. 27.3. Диффузия в жидкостях и твердых телах. Вследствие теплового хаотического движения молекул сироп смешался с водой в течение суток (а), две отшлифованные и прижатые друг к другу пластины свинца и золота «срослись» на 1 мм в течение 5 лет (б)

Диффузия в жидкости происходит довольно медленно, а в твердых телах она медленнее в сотни и тысячи раз (рис. 27.3). В газах диффузия протекает гораздо быстрее, чем в жидкостях, но все равно: если бы не было конвекции, запах духов распространялся бы в комнате часами. Отметим, что в любых средах скорость диффузии увеличивается с повышением температуры и давления.

Диффузные процессы очень важны для получения и обработки некоторых материалов. Диффузия в твердых телах обеспечивает соединение металлов при сварке, пайке, никелировании. С помощью диффузии поверхностный слой металлических изделий насыщают углеродом, обеспечивая их прочность (рис. 27.4).

Рис. 27.4. Цементация — процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом. если изготовить деталь из низкоуглеродистой стали, а затем поместить ее в высокотемпературную смесь, содержащую углерод, то благодаря диффузии поверхностный слой стали обогатится углеродом. Полученная деталь одновременно будет твердой (снаружи — крепкий чугун) и не будет разрушаться при ударных нагрузках (внутри — упругая сталь)

Разновидностью диффузии является осмос (от греч. osmos — толчок, давление) — процесс односторонней диффузии сквозь полупроницаемую перегородку (мембрану) молекул растворителя в сторону большей концентрации растворенного вещества. Например, если острым ножом отрезать дольку лимона, то сок практически не выделится; если посыпать дольку сахаром, то сок появится. Выделяясь из лимона, сок как бы стремится разбавить концентрированный раствор сахара, образовавшийся на срезе.

В природе благодаря осмосу питательные вещества и вода проникают из почвы в корни растений, из пищеварительного тракта — в организмы живых существ и непосредственно в клетки; кислород из легочных альвеол поступает в кровь и т. п. В промышленности осмос используют для очистки воды, производства напитков, получения некоторых полимеров.

Как быстро движутся молекулы

Молекулы в газах движутся очень быстро — со скоростью пули (см. таблицу), но далеко «улететь» не могут, поскольку ежесекундно испытывают более миллиарда столкновений с другими молекулами. Поэтому траектории движения молекул представляют собой сложные ломаные линии, подобные траектории движения броуновской частицы.

Обратите внимание! В веществе всегда есть молекулы, движущиеся медленно, и молекулы, скорость движения которых огромна. В результате столкновений скорости молекул непрерывно изменяются. Описать движение даже одной молекулы невозможно, да и не нужно. Важно знать, к какому результату приводит движение всей совокупности молекул данного объекта.

Как была измерена скорость движения молекул

Впервые скорость движения молекул измерил немецкий физик Отто Штерн (1888–1969) в 1920 г. Для опыта Штерн изготовил устройство (см. рис. 1), состоящее из двух жестко связанных пустых цилиндров, надетых на общую ось; стенка внутреннего цилиндра имела щель. Вдоль оси была натянута металлическая нить, покрытая слоем серебра. Воздух из цилиндров был откачан. Когда по нитке пропускали ток, серебро испарялось и внутренний цилиндр заполнялся атомами Аргентума, часть которых проходила сквозь щель и оседала на внутренней стенке внешнего цилиндра. В результате напротив щели образовывалась тонкая полоска серебра (А на рис. 2).

При вращении цилиндров полоска серебра становилась размытой и образовывалась не напротив щели, а на определенном расстоянии s от полоски А (полоска A’). Ведь пока атомы Аргентума проходили расстояние l (см. рис. 2), цилиндры поворачивались. Чем быстрее двигались атомы, тем ближе к полоске А они оседали.

Зная радиусы цилиндров, угловую скорость ω их вращения и измерив расстояние s, Штерн определил скорости v движения атомов Аргентума. Действительно, время движения атомов от щели до внешнего цилиндра равна . За это время точка на поверхности внешнего цилиндра проходит расстояние s, поэтому .

Таким образом, . Скорость движения атомов, измеренная Штерном, совпала со скоростью, рассчитанной теоретически.

Как и почему взаимодействуют молекулы

Убедиться в том, что молекулы притягиваются друг к другу, достаточно просто. Попробуйте, например, разорвать стальную проволоку или разломить кирпич — это будет сложно, хотя предметы состоят из отдельных частиц. Тот факт, что твердые тела и жидкости не распадаются на отдельные молекулы, превращаясь в газ, тоже говорит о том, что между молекулами существуют силы притяжения. Вместе с тем молекулы отталкиваются друг от друга. В этом легко убедиться, попробовав сжать ту же проволоку или тот же кирпич, — вряд ли вам это удастся.

МКТ утверждает: между молекулами одновременно существуют как силы притяжения, так и силы отталкивания. Основная причина наличия этих сил — электрическое притяжение и отталкивание заряженных частиц, образующих атом: положительно заряженное ядро одного атома притягивается к отрицательно заряженному электронному облаку другого атома; вместе с тем и ядра атомов отталкиваются друг от друга, и электронные облака. Если расстояние r между молекулами меньше размеров d самих молекул (r d) начинают преобладать силы притяжения и молекулы притягиваются друг к другу. Таким образом, на расстоянии r=d молекулы находятся в состоянии устойчивого равновесия: при отклонениях молекулы от этого положения межмолекулярные силы стремятся вернуть ее в состояние равновесия.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник

Диффузия молекул

Диффузией молекул является процесс перемещения вещества, обусловленный беспорядочным движением молекул.

Диффузия молекул происходит без видимого движения участков вещества, движение молекул является тепловым. Молекулярная диффузия происходит из-за распределения концентрации вещества и является самопроизвольным процессом движения вещества.

Диффузия является концентрационной, если ее причиной является неоднородная концентрация вещества в смеси.

Основные понятия о диффузии молекул

Из второй формулы можно вывести скорость диффузии молекул, которая является удельным потоком транспортирующегося вещества сквозь единицу поверхности \(F\) за единицу времени \(t\) и рассчитывается по формуле:

По своей сути закон Фика перекликается с законом Фурье, описывающем передачу тепла при помощи теплопроводности. В этом случае градиент концентраций выступает аналогом градиента температур. Он характеризует смену концентрации вещества, что продиффундировало, относительно линии между поверхностями неоднородных концентраций.

Коэффициент молекулярной диффузии

Коэффициент пропорциональности \(D\) в уравнении первого закона Фика, называется коэффициентом диффузии молекул. Из формулы (1) формируем выражение для расчета коэффициента диффузии:

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Коэффициент диффузии молекул – это физическая постоянная, которая характеризует способность вещества проникать в другое неподвижное вещество с помощью явления диффузии. Значит, величина этого коэффициента не зависит от гидродинамики происходящего процесса. Величина коэффициента может изменяться лишь при изменении температуры или давления. Величина коэффициента диффузии в каждом конкретном случае будет рассчитываться при помощи теоретических или полуэмпирических уравнений, учитывающих температуру и давление.

Стоит отметить, что при диффузии газов коэффициент диффузии D будет находиться в диапазоне от 0,1 до 1 см 3 /с. При диффундировании газа в жидкость он составит около 1 см 3 /сутки. Это означает, что процесс молекулярной диффузии довольно медленный, особенно в жидкостях.

Практические примеры молекулярной диффузии

Диффузия в физике рассматривается как хаотичный процесс, происходящий на уровне молекул и вызванный их беспорядочным движением. При этом скорость диффузии будет пропорциональна скорости движения отдельных молекул. Таким образом, процесс молекулярной диффузии будет определяться максимальной тепловой скоростью молекул, то есть молекул с минимальной массой.

Диффузия характеризуется перемещением энергии или материи из точки с большей концентрацией в точку с меньшей концентрацией вещества. Самым наглядным примером диффузии молекул является процесс перемешивания газов или жидкостей. К примеру, при попадании капли краски в воду, она постепенно в ней растворяется, окрашивая весть объем воды.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

Еще одним ярким примером является процесс нагревания твердого тела. Если мы, к примеру, возьмем металлический стержень и начнем его нагревать с одной стороны, то тепло постепенно распространится к его другому концу. Та же ситуация наблюдается при подведении заряда электроэнергии к одному из концов стержня.

В примере с металлическим стержнем мы наблюдаем быстрое нагревание и распространение тепла, ровно так же, ка и тока. Если же мы возьмем синтетический стержень, то процесс тепловой и электрической диффузии будет протекать намного медленнее.

Длительность процесса молекулярной диффузии можно наблюдать, положив кусочек сахара в стакан с водой и не перемешивая их. Раствор достигнет однородности лишь через несколько недель.

Еще более длительным будет диффузия твердых веществ. Так, например, медь, вскрытая позолотой, лишь спустя тысячи лет пропитается золотом всего на пару микрометров.

Источник