Физикадагы көп сандаган кубулуштардын ичинен диффузия процесси эң жөнөкөй жана түшүнүктүү процесстердин бири. Анткени, ар бир эртең менен өзүнө жыпар жыттуу чай же кофе даярдап, адам бул реакцияны иш жүзүндө байкоого мүмкүнчүлүк алат. Келгиле, бул процесс жана анын ар кандай агрегаттык абалдарда пайда болуу шарттары жөнүндө көбүрөөк билели.
Диффузия деген эмне
Бул сөз бир заттын молекулаларынын же атомдорунун башкасынын окшош структуралык бирдиктеринин ортосунда өтүшүн билдирет. Бул учурда, өтүүчү кошулмалардын концентрациясы түзүлөт.
Бул процесс биринчи жолу 1855-жылы немис окумуштуусу Адольф Фик тарабынан кеңири сүрөттөлгөн
Бул терминдин аталышы латын diffusio оозеки зат атоочунан (өз ара аракеттенүү, дисперсия, бөлүштүрүү) түзүлгөн.
Суюктукта диффузия
Каралып жаткан процесс бардык үч агрегаттык абалындагы заттар менен болушу мүмкүн: газ, суюк жана катуу. Мунун практикалык мисалдары үчүн, жөн гана карапашкана.
Меште бышырылган борщ алардын бири. Температуранын таасири астында глюкозанын бетанинин молекулалары (бул заттын аркасында кызылча ушунчалык бай кочкул кызыл түскө ээ) суу молекулалары менен бирдей реакцияга кирип, ага уникалдуу бургундия түсүн берет. Бул окуя суюктуктардагы диффузиянын мисалы болуп саналат.
Бул процессти борщтон тышкары бир стакан чай же кофеден да көрүүгө болот. Бул суусундуктардын экөө тең ушундай бирдей бай көлөкөлүү болгондуктан, чай жалбырактары же кофе бөлүкчөлөрү сууда эрип, анын молекулаларынын ортосунда бирдей таралып, аны боёшот. Токсонунчу жылдардагы бардык популярдуу тез берилүүчү суусундуктардын аракети бир принципке негизделген: Yupi, Invite, Zuko.
Газдардын өз ара кириши
Ашканада айтылган процесстин көрүнүштөрүн издөөнү улантуу менен, дасторкон үстүндөгү жаңы гүлдөрдүн бир букетинен чыккан жагымдуу жыттан ырахат алуу жана жыттоо керек. Бул эмне үчүн болуп жатат?
Жытты алып жүрүүчү атомдор жана молекулалар активдүү кыймылда жана натыйжада абадагы бөлүкчөлөр менен аралашып, бөлмөнүн көлөмүнө бир калыпта тарашат.
Бул газдардагы диффузиянын көрүнүшү. Белгилей кетчү нерсе, абаны ингаляциялоонун өзү да каралып жаткан процесске, ошондой эле ашканада жаңы бышырылган борщтун табиттүү жытына таандык.
Катуу заттардагы диффузия
Гүлдүү ашкана үстөлү ачык сары дасторкон менен жабылган. Ал ушундай эле көлөкө ыраазычылык алгандиффузиянын катуу заттар аркылуу өтүү жөндөмдүүлүгү.
Колпого бир калыпта көлөкө берүү процесси төмөнкүдөй бир нече этапта ишке ашат.
- Сары пигменттин бөлүкчөлөрү сыя идиште жипчелүү материалга тарап кетти.
- Алар боёлгон кездеменин сырткы бетине сиңирип алышкан.
- Кийинки кадам боёкту кайрадан жайылтуу болду, бирок бул жолу желенин жипчелерине.
- Финалда кездеме пигмент бөлүкчөлөрүн бекитип, түстүү болуп калды.
Газдардын металлдардагы диффузиясы
Адатта, бул процесс жөнүндө сөз кылып жатып, бир эле агрегация абалындагы заттардын өз ара аракеттенүүсүн карап көрөлү. Мисалы, катуу заттардагы диффузия, катуу заттар. Бул кубулушту далилдөө үчүн эки металл пластина (алтын жана коргошун) бири-бирине кысылып эксперимент жүргүзүлөт. Алардын молекулаларынын өз ара кириши бир топ убакытты талап кылат (беш жылда бир миллиметр). Бул процесс адаттан тыш зергер буюмдарды жасоо үчүн колдонулат.
Бирок, ар кандай агрегаттык абалдагы кошулмалар да диффузияга жөндөмдүү. Мисалы, катуу заттарда газдардын диффузиясы бар.
Тажрыйбалардын жүрүшүндө мындай процесс атомдук абалда боло тургандыгы далилденди. Аны иштетүү үчүн, эреже катары, температуранын жана басымдын олуттуу жогорулашы керек.
Катуу заттардагы мындай газ түрүндөгү диффузиянын мисалы суутек коррозиясы. Ал жагдайларда өзүн көрсөтөтЖогорку температуранын (200 градустан 650 градуска чейин) таасири астында кандайдыр бир химиялык реакциянын жүрүшүндө пайда болгон суутек атомдору (Н2) металлдын структуралык бөлүкчөлөрүнүн арасына өтөт.
Суутектен тышкары, кычкылтектин жана башка газдардын диффузиясы катуу заттарда да болушу мүмкүн. Көзгө көрүнбөгөн бул процесс көп зыян келтирет, анткени анын айынан металл конструкциялар урап калышы мүмкүн.
Суюктуктардын металлдардагы диффузиясы
Бирок газ молекулалары гана катуу заттарга эмес, суюктуктарга да өтө алат. Суутек сыяктуу эле, бул процесс көбүнчө коррозияга алып келет (металлдарга келгенде).
Катуу заттардагы суюктук диффузиянын классикалык мисалы болуп суунун (H2O) же электролит эритмелеринин таасири астында металлдардын коррозиясы саналат. Көпчүлүк үчүн бул процесс дат басуу деген ат менен көбүрөөк тааныш. Суутек коррозиясынан айырмаланып, иш жүзүндө ага көп жолугууга туура келет.
Диффузияны тездетүү үчүн шарттар. Диффузия коэффициенти
Каралып жаткан процесс боло турган заттар менен алектенип, анын пайда болуу шарттары менен таанышып чыгуу зарыл.
Биринчиден, диффузиянын ылдамдыгы өз ара аракеттенүүчү заттардын агрегаттык абалына көз каранды. Реакция жүрүп жаткан материалдын тыгыздыгы канчалык чоң болсо, анын ылдамдыгы ошончолук жайыраак болот.
Бул жагынан суюктуктардагы жана газдардагы диффузия катуу заттарга караганда дайыма активдүү болот.
Мисалы, эгерде кристаллдаркалий перманганаты KMnO4 (калий перманганаты) сууга ыргытса, алар ага кооз малина түсүн берет бир нече мүнөттөн кийин түс. Бирок, бир кесим музга KMnO4 кристаллдарын чачып, баарын тоңдургучка салсаңыз, бир нече сааттан кийин калий перманганаты тоңдурулган H 2O.
толук түстүү мүмкүн эмес
Мурунку мисалдан диффузия шарттары жөнүндө дагы бир жыйынтык чыгарууга болот. Агрегация абалынан тышкары, температура бөлүкчөлөрдүн бири-бирине өтүү ылдамдыгына да таасирин тийгизет.
Каралып жаткан процесстин ага көз карандылыгын эске алуу үчүн диффузия коэффициенти сыяктуу түшүнүктү үйрөнүү керек. Бул анын ылдамдыгынын сандык мүнөздөмөсү.
Көпчүлүк формулаларда ал латындын баш тамгасы D менен белгиленет жана SI системасында секундасына чарчы метр (м²/с), кээде секундасына сантиметр менен ченелет (cm2 /м).
Диффузия коэффициенти эки беттеги тыгыздык айырмасы (узундук бирдикке барабар аралыкта жайгашкан) бирдикке барабар болгон шартта, убакыт бирдигинин бети аркылуу чачылган заттын санына барабар. D аныктоочу критерийлер бөлүкчөлөрдүн чачыратуу процессинин өзү жүргөн заттын касиеттери жана алардын түрү болуп саналат.
Коэффициенттин температурадан көз карандылыгын Аррениус теңдемеси аркылуу сүрөттөөгө болот: D=D0exp(-E/TR).
Каралып жаткан формулада E - процессти активдештирүү үчүн зарыл болгон минималдуу энергия; Т - температура (Кельвин менен өлчөнөт, Цельсий боюнча эмес); R-идеалдуу газдын газ туруктуу мүнөздөмөсү.
Жогоруда айтылгандардын бардыгынан тышкары катуу заттардагы, суюктуктардагы газдардагы диффузиянын ылдамдыгына басым жана нурлануу (индуктивдүү же жогорку жыштык) таасир этет. Мындан тышкары, көп нерсе каталитикалык заттын болушунан көз каранды, көбүнчө ал бөлүкчөлөрдүн активдүү дисперсиясынын башталышы үчүн триггер катары иштейт.
Диффузиялык теңдеме
Бул кубулуш жарым-жартылай дифференциалдык теңдеменин өзгөчө түрү.
Анын максаты – заттын концентрациясынын мейкиндиктин (ал таралган) өлчөмүнө жана координаталарына, ошондой эле убакытка көз карандылыгын табуу. Бул учурда берилген коэффициент реакция үчүн чөйрөнүн өткөрүмдүүлүгүн мүнөздөйт.
Көбүнчө диффузиялык теңдеме төмөнкүчө жазылат: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
Андагы φ (t жана r) - t убакыттагы r чекитиндеги чачыраткыч заттын тыгыздыгы. D (φ, r) - r чекитиндеги φ тыгыздыктагы жалпыланган диффузия коэффициенти.
∇ - компоненттери координаттарда жарым-жартылай туунду болгон вектордук дифференциалдык оператор.
Диффузия коэффициенти тыгыздыкка көз каранды болгондо, теңдеме сызыктуу эмес. Болбогондо - сызыктуу.
Диффузиянын аныктамасын жана бул процесстин ар кандай чөйрөлөрдөгү өзгөчөлүктөрүн карап чыгып, анын оң да, терс да жактары бар экенин белгилей кетсек болот.
