Пример диффузии в жидкостях изображения. Диффузия. Полные уроки — Гипермаркет знаний

Применяют полученные знания и умения для решения практических задач повседневной жизни

Учащиеся выполняют задание, вспоминают, достигают поставленной цели за счет собственных ресурсов памяти, мышления. Составляют ответ, высказывают собственную точку зрения, приходят к единому мнению.

Контролируют собственное время, правильность и очередность высказываний своих и собеседника в процессе работы

Диффузия в природе и технике

Работают с текстами, которые получит каждая группа. Задача каждой группы - выделить в тексте главное и составить рассказ о применении процесса диффузии в данной области. Выступающих от группы может быть несколько.

Текст 1 группы . Диффузия в растительном мире

К.А. Тимирязев говорил: «Будем ли мы говорить о питании корня за счёт веществ, находящихся в почве, будем ли говорить о воздушном питании листьев за счет атмосферы или питании одного органа за счёт другого, соседнего, - везде для объяснения мы будем прибегать к тем же причинам: диффузия».
Действительно, в растительном мире очень велика роль диффузии. Например, большое развитие листовой кроны деревьев объясняется тем, что диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет не только функцию дыхания, но частично и питания. В настоящее время широко практикуется внекорневая подкормка плодовых деревьев путем опрыскивания их кроны.
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.

Текст 2 группы . Роль диффузии в пищеварении и дыхании человека

Наибольшее всасывание питательных веществ происходит в тонких кишках, стенки которых специально для этого приспособлены. Площадь внутренней поверхности кишечника человека равна 0,65м2. Она покрыта ворсинками - микроскопическими образованиями слизистой оболочки высотой 0,2-1мм, за счет чего площадь реальной поверхности кишечника достигает 4-5 м2, т.е. достигает в 2-3 раза больше площади поверхности всего тела. Процесс всасывания питательных веществ в кишечнике возможен благодаря диффузии.
Дыхание - перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы - происходит тем быстрее, чем больше площадь поверхности тела и окружающей среды, и тем медленнее, чем толще и плотнее покровы тела. Отсюда понятно, что малые организмы, у которых площади поверхности велики по сравнению с объемом тела, могут обходиться вовсе без специальных органов дыхания, удовлетворяясь притоком кислорода исключительно через наружную оболочку.
А как же дышит человек? У человека в дыхании принимает участие вся поверхность тела - от самого толстого эпидермиса пяток до покрытой волосами кожи головы. Особенно интенсивно дышит кожа на груди, спине и животе. Интересно, что по интенсивности дыхания эти участки кожи значительно превосходят легкие. С одинаковой по размеру дыхательной поверхности здесь может поглощаться кислорода на 28% а выделяться углекислого газа даже на 54% больше, чем в легких. Однако во всем дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с легкими, так как общая площадь поверхности легких, если развернуть все 700 млн. альвеол, микроскопических пузырьков, через стенки которых происходит газообмен между воздухом и кровью, составляет около 90-100 м2, а общая площадь поверхности кожи человека около 2 м2, т.е, в 45-50 раз меньше. Таким образом, диффузия имеет большое значение в процессах жизнедеятельности человека, животных и растений. Благодаря диффузии кислород из легких пpoникaeт в кровь человека, а из крови - в ткани.

Текст 3 группы. Применение диффузии в технике.

Диффузия находит широкое применение в промышленности. На явлении диффузии основана диффузионная сварка металлов. Методом диффузионной сварки соединяют между собой металлы, неметаллы, металлы и неметаллы, пластмассы. Детали помещают в закрытую сварочную камеру с сильным разряжением, 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. Он применяется для защиты изделий от коррозии, износа, повышения контактной электрической проводимости, в декоративных целях. 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.

Текст для 4 группы. Но, не всегда диффузия благо для человека. К сожалению, необходимо отметить и вредные проявления этого явления. Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, оксиды азота и серы. В настоящее время общее количество эмиссии 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. Для предупреждения загрязнения водоемов необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор, пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты.

Определение 1

Диффузия тела (рассеивание) является процессом, способствующим взаимному проникновению молекул (атомов) одного вещества между такими же частицами другого. В конечном итоге это будет выражаться в самопроизвольном выравнивании их концентраций по всему занимаемому объёму.

Бывают примеры, когда у одного из веществ уже присутствует выровненная концентрация и подразумевается диффузия одного вещества в другом. При этом перенос вещества будет осуществляться из области с высокой концентрацией в область с более низкой (то есть, в противоположном от направления вектора градиента концентрации).

Примеры диффузии тел

Диффузия может быть применима к телам жидкого, твердого или газообразного типа. В качестве ярких примеров диффузии тел выступают:

перемешивание газов (это может относиться, например, к распространению запахов);
перемешивание жидкостей (при попадании капли чернил в воду она полностью окрасится в этот цвет);
перемешивание на примере твердых тел (атомы соприкасающихся друг с другом металлов будут перемешиваться на границе соприкосновения).

Существенное значение диффузия частиц будет иметь в физике плазмы. Сама скорость протекания диффузии будет зависимой от множества факторов. В случае металлического стержня, например, тепловая диффузия осуществляется на очень большой скорости. При условии изготовления стержня из синтетического материала, будет фиксироваться медленная скорость диффузии.

Еще более медленно процесс диффузии наблюдается в отношении одного твердого вещества в другое. При условии, что медь покрыта золотом, например, мы наблюдаем диффузию золота в медь. В то же время, при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре уже фиксируется очень медленный по времени процесс достижения золотосодержащего слоя толщины в несколько микронов (через тысячи лет).

Еще одним примером диффузии тел может быть наложении свинцового слитка на золотой. В результате, за период в 5 лет под весом свинца, золотой слиток прогнется на один сантиметр, что свидетельствует о проникновении одного тела в другое.

Поверхностная диффузия тел

Замечание 1

Поверхностная диффузия тел считается процессом, связанным (как и при объемной диффузии) с перемещением самих частиц (кластеров, молекул или же атомов), который выполняется на поверхности конденсированных тел в пределах первого поверхностного атомного (молекулярного) слоя или поверх этого слоя.

Способностью перемещений, благодаря поверхностной диффузии, обладают:

атомы, которые находятся в составе самого твёрдого тела;
адсорбированные частицы в виде кластеров, молекул или атомов.

Как правило, подвижность поверхностных частиц активизируется, благодаря воздействию случайных тепловых флуктуаций (обычно это могут быть молекулы или атомы). При условии присутствия градиента концентрации (поверхностная концентрация) случайное блуждание большого количества частиц спровоцирует их усредненное диффузионное движение в противоположном градиенту направлении.

На процесс диффузии воздействие оказывают разные факторы:

взаимодействие диффундирующих частиц;
формирование поверхностных фаз (реконструкций);
присутствие дефектов различного характера и др.

Поверхностная диффузия становится определяющей для процессов увеличения тонких плёнок, а также формирования наноструктур на поверхности спекания керамики.

Процесс диффузии в твердых телах

В условиях комнатной температуры, мы обычно не наблюдаем проявление диффузии в твердых телах. Очень тонкое по своей структуре покрытие одного металла другим будет сохраняться продолжительное время в практически неизменном состоянии.

При этом, если температура зафиксирована в несколько сот градусов, покрытия уже не будут сохраняться: диффузия провоцирует проникновение атомов покрытия вглубь подложки с заметной скоростью. Такое обстоятельство может применяться, например, в полупроводниковой технике с целью введения в полупроводник специальных легирующих примесей при условии температуры в несколько сотен градусов.

Механизм процессов диффузии в твердых телах лучше понимается при использовании информации об их кристаллической структуре. В состоянии равновесия атомы твердого тела осуществляют тепловые колебательные движения рядом с узлами кристаллической решетки. Все узлы такой решетки в идеальной структуре твердого тела оказываются совершенно равнозначными, а сам процесс диффузии становится невозможным. Наряду с тем, в реальном кристалле будет присутствовать (при заданной температуре) определенное число термических дефектов, проявляемых в виде нарушений кристаллической решетки.

В ситуации с повышением температуры кристалла, наблюдается возрастание равновесных концентраций вакансий, а также межузельных атомов, а в условии понижения температуры, начнет исчезать на стоках часть дефектов. Роль подобных стоков могут выполнять некоторые другие дефекты решетки, например, дислокации.

При таком дефекте структуры кристаллической решетки механизм диффузии в твердом теле становится понятным. Пусть в соседстве с расположенным в узле решетки атомом будет располагаться вакантный узел (дырка).

В таком случае колебательное движение атомов может спровоцировать перескакивание атома из узла решетки в вакантный узел на основании «вакансионного механизма диффузии». В отсутствие внешних сил процесс диффузии будет определяться неравновесной характеристикой образца (градиент температур, например). Каждой температуре при этом будет соответствовать определенное равновесное количество дырок:

$n_д = exp\left(\frac{-E_д}{kT}\right)$ где $E_д$ - энергия, требуемая для образования одной дырки.

При всех температурах, которые ниже точки плавления, равновесное количество дырок оказывается намного меньше, чем число в кристаллической решетке узлов, т.е.

$\frac{n_д}{N} = 1$

Рассмотрим случай воздействия на кристалл внешней силы (т.е. ионный кристалл в электрическом поле. Связь ионной электропроводности и коэффициента диффузии будет определять соотношение Эйнштейна:

$D = f\frac{\sigma kT}{Nq^2}$, где:

$f$ - поправочный множитель;
$N$ -концентрация ионов.

Вышеуказанное соотношение понимается таким образом: при наложении электрического поля, а также присутствия градиента концентрации ионов в кристалле возникнет ток плотности:

$\sigma = {qN(x)B_и}$, где:

$\sigma$ - удельная электропроводность;
$B_и$ - подвижность ионов.

При условии статистического равновесия полный ток равнозначен нулю.

$E = \frac{-dU}{dx}$

где $U$ - потенциал электрического поля, при равновесии

${-qN(x)B_и}\frac{dU}{dx} = {qD}\frac{dN}{dx}$

Таким образом,

$D = {B_и}\frac{kT}{q} = \frac{\sigma kT}{Nq^2}$

При этом в ионных кристаллах наблюдается отступление от простого соотношения коэффициента диффузии и удельной электропроводности. Именно по этой причине в соотношении будет содержаться поправочный множитель $f$. Так, при диффузии путем замещения вакансий коэффициент диффузии меченого атома будет зависимым от корреляции его скачков.

Для того чтобы сахар в чае растворился быстрее, его нужно размешать. Но, оказывается, если этого не делать, то все равно через некоторое время весь сахар растворится, и чай станет сладким. В ходе этого урока вы узнаете, что такое самопроизвольное перемешивание веществ объясняется непрерывным хаотическим движением молекул, а называется такое явление диффузией.

Тема: Первоначальные сведения о строении вещества

Урок: Диффузия

В нашей повседневной жизни мы иногда не замечаем некоторых физических явлений. Например, кто-то открыл флакон с духами, и мы, даже находясь на большом расстоянии, почувствуем этот запах. Поднимаясь по лестнице к своей квартире, мы можем ощутить запах пищи, приготовленной дома. Мы опускаем в стакан с горячей водой пакетик с заваркой для приготовления чая, и даже не замечаем, как заварка окрашивает всю воду в чашке.

Рис. 1. Хотя чайная заварка находится внутри пакетика, она окрашивает всю воду в чашке

Все перечисленные явления связаны с одним и тем же физическим явлением, которое называется диффузией. Происходит она потому, что молекулы одного и другого вещества взаимно проникают друг между другом.

Диффузия – это самопроизвольное взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого.

В этом определении важным является каждое слово: и самопроизвольное, и взаимное, и проникновение, и молекул.

Если налить в сосуд раствор медного купороса (голубого цвета), а сверху аккуратно, не допуская перемешивания, налить чистую воду, то можно заметить, что поначалу довольно четкая граница между водой и медным купоросом со временем становится все более размытой. Если продолжать опыт в течение недели, эта граница совершенно исчезнет, и жидкость в сосуде станет равномерно окрашенной.

Рис. 2. Диффузия раствора медного купороса в воде

Значительно быстрее происходит процесс диффузии в газах. Возьмем цилиндрический стеклянный сосуд без дна и прикрепим к его внутренней поверхности вертикальные полоски универсальной индикаторной бумаги. Эти полоски обладают способностью изменять свой цвет под действием паров некоторых веществ. Нальем небольшое количество такого вещества на дно чашки и поместим в эту чашку цилиндрический сосуд. Мы увидим, что сначала индикаторные полоски изменят свой цвет в их нижней части, но уже через 10-20 секунд полоски приобретут ярко-синюю окраску по всей длине. Это значит, что воздух и газообразное вещество самопроизвольно перемешались между собой, то есть произошло взаимное проникновение молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого, значит произошла диффузия.

Рис. 3. В результате диффузии паров летучего вещества окраска полосок индикаторной бумаги изменяется вначале внизу, а затем по всей длине

Оказывается, на скорость диффузии определенных веществ можно влиять. Чтобы убедиться в этом, возьмем два стакана, один с горячей, а другой с холодной водой. Насыплем в оба стакана одинаковое количество растворимого кофе. В одном из стаканов диффузия пойдет гораздо быстрее. Как подсказывает вам жизненный опыт, диффузия происходит тем быстрее, чем выше температура диффундирующих веществ.

Рис. 4. Вода в правом стакане имеет более высокую температуру, и поэтому диффузия растворимого кофе в нем происходит быстрее

Чем выше температура веществ, тем быстрее происходит диффузия.

Может ли происходить диффузия в твердых телах? На первый взгляд – нет. Но опыт дает другой ответ на этот вопрос. Если поверхности двух различных металлов (например, свинца и золота) хорошо отполировать и плотно прижать друг к другу, то взаимное проникновение молекул металлов можно зарегистрировать на глубину около одного миллиметра. Правда, для этого потребуется время в несколько лет.

Рис. 5. Диффузия в твердых телах происходит крайне медленно

Диффузия может происходить в газах, жидкостях и твердых телах, но время, необходимое для протекания диффузии, значительно различается.

Скорость диффузии можно увеличить, увеличивая температуру диффундирующих веществ.

Список литературы

1. Перышкин А.В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.

2. Перышкин А.В. Сборник задач по физике, 7 – 9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.

3. Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7 – 9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.

1. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().

2. Единая коллекция Цифровых Образовательных Ресурсов ().

Домашнее задание

Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7 – 9 классов

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.