Ndër fenomenet e shumta në fizikë, procesi i difuzionit është një nga më të thjeshtët dhe më të kuptueshëm. Në fund të fundit, çdo mëngjes, duke përgatitur vetë çaj ose kafe aromatike, një person ka mundësinë ta vëzhgojë këtë reagim në praktikë. Le të mësojmë më shumë rreth këtij procesi dhe kushteve për shfaqjen e tij në gjendje të ndryshme agregate.
Çfarë është difuzioni
Kjo fjalë i referohet depërtimit të molekulave ose atomeve të një lënde midis njësive strukturore të ngjashme të një tjetre. Në këtë rast, përqendrimi i përbërjeve depërtuese nivelohet.
Ky proces u përshkrua për herë të parë në detaje nga shkencëtari gjerman Adolf Fick në 1855
Emri i këtij termi u formua nga emri foljor latin diffusio (ndërveprim, shpërndarje, shpërndarje).
Difuzion në një lëng
Procesi në shqyrtim mund të ndodhë me substanca në të tre gjendjet e grumbullimit: të gaztë, të lëngët dhe të ngurtë. Për shembuj praktikë të kësaj, thjesht shikonikuzhinë.
Borshi i zier në sobë është një prej tyre. Nën ndikimin e temperaturës, molekulat e betaninës së glukozinës (një substancë për shkak të së cilës panxhari ka një ngjyrë kaq të pasur të kuqe të ndezur) reagojnë në mënyrë të barabartë me molekulat e ujit, duke i dhënë asaj një nuancë unike burgundy. Ky rast është një shembull i difuzionit në lëngje.
Përveç borschit, ky proces mund të shihet edhe në një gotë çaj ose kafe. Të dyja këto pije kanë një nuancë kaq uniforme të pasur për faktin se gjethet e çajit ose grimcat e kafesë, të tretura në ujë, përhapen në mënyrë të barabartë midis molekulave të tij, duke e ngjyrosur atë. Veprimi i të gjitha pijeve të njohura të çastit të viteve nëntëdhjetë është ndërtuar mbi të njëjtin parim: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetrimi i gazeve
Duke vazhduar të kërkojmë më tej për manifestimet e procesit në fjalë në kuzhinë, ia vlen të nuhasni dhe të shijoni aromën e këndshme që buron nga një buqetë me lule të freskëta në tryezën e ngrënies. Pse po ndodh kjo?
Atomet dhe molekulat që mbartin erën janë në lëvizje aktive dhe, si rezultat, përzihen me grimcat tashmë në ajër dhe shpërndahen në mënyrë të barabartë në vëllimin e dhomës.
Ky është një manifestim i difuzionit në gaze. Vlen të theksohet se procesit në shqyrtim i përket edhe vetë thithja e ajrit, si dhe aroma e shijshme e borschit të sapo gatuar në kuzhinë.
Difuzioni në trupa të ngurtë
Tavolina e kuzhinës me lule është e mbuluar me një mbulesë tavoline të verdhë të ndezur. Ajo mori një hije të ngjashme falëaftësia e difuzionit për të kaluar nëpër trupa të ngurtë.
Procesi i dhënies së një ngjyre uniforme kanavacës zhvillohet në disa faza si më poshtë.
- Grimcat e pigmentit të verdhë të shpërndara në rezervuarin e bojës drejt materialit fijor.
- Ato më pas u përthithen nga sipërfaqja e jashtme e pëlhurës së lyer.
- Hapi tjetër ishte përsëri shpërndarja e bojës, por këtë herë në fijet e rrjetës.
- Në finale, pëlhura fiksoi grimcat e pigmentit, duke u bërë kështu me ngjyrë.
Difuzioni i gazeve në metale
Zakonisht, duke folur për këtë proces, merrni parasysh ndërveprimin e substancave në të njëjtën gjendje grumbullimi. Për shembull, difuzioni në trupat e ngurtë, trupat e ngurtë. Për të vërtetuar këtë fenomen, kryhet një eksperiment me dy pllaka metalike të shtypura njëra me tjetrën (ari dhe plumbi). Ndërhyrja e molekulave të tyre kërkon një kohë mjaft të gjatë (një milimetër në pesë vjet). Ky proces përdoret për të bërë bizhuteri të pazakonta.
Megjithatë, komponimet në gjendje të ndryshme agregate janë gjithashtu të afta të shpërndahen. Për shembull, ka difuzion të gazeve në trupat e ngurtë.
Gjatë eksperimenteve u vërtetua se një proces i tillë zhvillohet në gjendjen atomike. Për ta aktivizuar, si rregull, duhet një rritje e ndjeshme e temperaturës dhe presionit.
Një shembull i një difuzioni të tillë të gaztë në trupat e ngurtë është korrozioni i hidrogjenit. Shfaqet në situata kuAtomet e hidrogjenit (N2) që kanë lindur gjatë një reaksioni kimik nën ndikimin e temperaturave të larta (nga 200 në 650 gradë Celsius) depërtojnë midis grimcave strukturore të metalit.
Përveç hidrogjenit, difuzioni i oksigjenit dhe gazrave të tjerë mund të ndodhë edhe në trupat e ngurtë. Ky proces, i padukshëm për syrin, bën shumë dëm, sepse strukturat metalike mund të shemben për shkak të tij.
Difuzioni i lëngjeve në metale
Megjithatë, jo vetëm molekulat e gazit mund të depërtojnë në trupa të ngurtë, por edhe në lëngje. Ashtu si në rastin e hidrogjenit, më shpesh ky proces çon në korrozion (kur bëhet fjalë për metalet).
Një shembull klasik i difuzionit të lëngjeve në trupat e ngurtë është korrozioni i metaleve nën ndikimin e ujit (H2O) ose tretësirave të elektrolitit. Për shumicën, ky proces është më i njohur me emrin e ndryshkjes. Ndryshe nga korrozioni me hidrogjen, në praktikë ai duhet të haset shumë më shpesh.
Kushtet për përshpejtimin e difuzionit. Koeficienti i difuzionit
Duke trajtuar substancat në të cilat mund të ndodhë procesi në shqyrtim, ia vlen të mësoni për kushtet e shfaqjes së tij.
Së pari, shpejtësia e difuzionit varet nga gjendja e përgjithshme e substancave që ndërveprojnë. Sa më i madh të jetë dendësia e materialit në të cilin ndodh reaksioni, aq më i ngadalshëm është shpejtësia e tij.
Në këtë drejtim, difuzioni në lëngje dhe gazra do të jetë gjithmonë më aktiv se në trupat e ngurtë.
Për shembull, nëse kristaletpermanganat kaliumi KMnO4 (permanganat kaliumi) hidheni në ujë, do t'i japin një ngjyrë të bukur mjedër në pak minuta Ngjyra. Megjithatë, nëse spërkatni kristale të KMnO4 mbi një copë akulli dhe e vendosni të gjithë në frigorifer, pas disa orësh, permanganati i kaliumit do të nuk mund të ngjyrosni plotësisht H të ngrirë 2O.
Nga shembulli i mëparshëm, mund të nxirret një përfundim më shumë rreth kushteve të difuzionit. Përveç gjendjes së grumbullimit, temperatura ndikon edhe në shkallën e interpenetrimit të grimcave.
Për të marrë parasysh varësinë e procesit në shqyrtim nga ai, ia vlen të mësoni për një koncept të tillë si koeficienti i difuzionit. Ky është emri i karakteristikës sasiore të shpejtësisë së saj.
Në shumicën e formulave, shënohet me një shkronjë latine të madhe D dhe në sistemin SI matet në metra katrorë për sekondë (m²/s), ndonjëherë në centimetra për sekondë (cm2 /m).
Koeficienti i difuzionit është i barabartë me sasinë e lëndës së shpërndarë nëpër një sipërfaqe njësi gjatë një njësie kohe, me kusht që diferenca e densitetit në të dyja sipërfaqet (e vendosur në një distancë të barabartë me një njësi gjatësi) të jetë e barabartë me një. Kriteret që përcaktojnë D janë vetitë e substancës në të cilën zhvillohet vetë procesi i shpërndarjes së grimcave dhe lloji i tyre.
Varësia e koeficientit nga temperatura mund të përshkruhet duke përdorur ekuacionin Arrhenius: D=D0exp(-E/TR).
Në formulën e konsideruar E është energjia minimale e nevojshme për aktivizimin e procesit; T - temperatura (e matur në Kelvin, jo Celsius); R-karakteristikë konstante e gazit e një gazi ideal.
Përveç të gjitha sa më sipër, shpejtësia e difuzionit në trupa të ngurtë, lëngje në gaze ndikohet nga presioni dhe rrezatimi (induktiv ose me frekuencë të lartë). Përveç kësaj, shumë varet nga prania e një lënde katalitike, shpesh ajo vepron si një shkas për fillimin e shpërndarjes aktive të grimcave.
Ekuacioni i difuzionit
Ky fenomen është një formë e veçantë e ekuacionit diferencial të pjesshëm.
Qëllimi i tij është të gjejë varësinë e përqendrimit të një lënde nga madhësia dhe koordinatat e hapësirës (në të cilën ajo shpërndahet), si dhe nga koha. Në këtë rast, koeficienti i dhënë karakterizon përshkueshmërinë e mediumit për reaksionin.
Më shpesh, ekuacioni i difuzionit shkruhet si më poshtë: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
Në të φ (t dhe r) është dendësia e substancës shpërndarëse në pikën r në kohën t. D (φ, r) - koeficienti i përgjithësuar i difuzionit në densitetin φ në pikën r.
∇ - operator diferencial vektorial, komponentët e të cilit janë derivate të pjesshëm në koordinata.
Kur koeficienti i difuzionit është i varur nga dendësia, ekuacioni është jolinear. Kur jo - lineare.
Duke marrë parasysh përkufizimin e difuzionit dhe veçoritë e këtij procesi në mjedise të ndryshme, mund të vërehet se ai ka edhe anë pozitive dhe negative.
