Примери за дифузия

Дифузията е процес на транспортиране на материя, при който има нетно движение на частици от област, където те са с по-висока концентрация, към друга, където са с по-ниска концентрация . Казано по-просто, дифузията е движението на вещества, движено от разликите в концентрацията.

Дифузията е известна от стотици години. Усещаме го във въздуха, когато усещаме миризмата на прясно изпечен хляб, идващ от пекарна, когато усещаме аромата на кафе, идващ от кухнята, въпреки че сме в друга стая на няколко метра, или когато усещаме миризмата на тамян всеки път, когато минаваме близо храм.

Опитът ни казва, че това е пасивен и спонтанен процес. Първо, защото не изисква влагане на енергия, и второ, защото това се случва, независимо дали го искаме или не, когато има разлика в концентрациите между две места в пространството.

Фактори, влияещи върху дифузията

Процесът на дифузия зависи от няколко променливи, свързани както със средата, в която частиците дифундират, така и с характеристиките на самите частици.

Концентрация

Вече споменахме, че определящият фактор за възникване на дифузия е наличието на концентрационен градиент, тоест трябва да има разлика в концентрацията на частици в две точки в пространството, за да могат частиците да дифундират от едната към другата.

Концентрационният градиент се изразява като частно между разликата в концентрациите на дадено вещество в две точки в пространството (или в средата) и разстоянието между двете точки. Математически това се записва като

Важното е не самата концентрация, а това, че има разлика в концентрациите. Ако две точки в пространството имат много високи концентрации, но и двете са равни, тогава няма да има дифузия между двете точки.

температура

Дифузията възниква поради произволни движения във всички посоки на частиците, които изграждат материята. Това движение, наречено Брауново движение, в чест на ботаника от 19 век, който го открива, Робърт Браун, идва от сблъсъци между частиците, които изграждат материята, които са подложени на постоянно топлинно разбъркване.

Тъй като термичното разбъркване се увеличава с температурата, процесите на дифузия стават по-бързи при по-високи температури.

Средата, в която се разпространява

Въпреки че може да не изглежда така, дифузията може да възникне във всякакъв вид материя, включително газове, течности и твърди вещества. Процесът обаче не е еднакъв във всяка среда.

Например, ароматът на кафето се разпространява много добре във въздуха, но не и през метала. Доказателство за това е фактът, че запечатаният термос, пълен с кафе, не излъчва аромат на кафе, докато не бъде открит. Въпреки това, ако има достатъчно време, ароматните частици кафе в крайна сметка ще се разпръснат през метала, тъй като нито един материал не е идеално непропусклив.

Масата на частиците

Масата на частиците има пряк ефект върху скоростта, с която те могат да дифундират. По-тежките частици са склонни да се движат по-бавно от по-леките частици при дадена температура. Поради тази причина, колкото по-тежка е една частица, толкова по-бавно ще дифундира.

Формата и размера на частиците

В допълнение към зависимостта от масата, формата на частицата значително влияе върху способността й да дифундира в различни среди. Колкото по-малка и по-сферична е една частица, толкова по-добра е нейната способност да дифундира през различни среди.

дифузионни уравнения

Процесът на дифузия се характеризира главно от закона на Греъм и от законите на Фик.

Законът на Греъм

Законът на Греъм гласи, че когато два газа дифундират един в друг, скоростта на дифузия е обратно пропорционална на квадрата на тяхната плътност. Сега знаем, че плътността на газа е пропорционална на неговата моларна маса, което ни позволява да формулираме закона на Греъм по отношение на моларната маса на газа. В математическа форма законът на Греъм гласи, че за два газа, A и B, връзката между техните скорости на дифузия се дава от:

където v _A и v _B представляват средните скорости на дифузия на всеки газ, а M _A и M _B са техните съответни моларни маси.

Законите на Фик

Законите на Фик са математическите изрази, които управляват процесите на дифузия. Неговото решение дава възможност да се определи количествено скоростта на дифузия на дадено вещество през среда, както и да се определи как концентрацията на частиците варира в дадена точка като функция на времето.

Първият закон на Фик

Най-простата форма на първия закон на Фик е дадена от:

където J представлява броя на частиците, които преминават през единица площ и за единица време в дадена точка, D е константа на пропорционалност, наречена коефициент на дифузия, φ представлява концентрацията и x позицията.

Коефициентът dφ/dx представлява концентрационния градиент в едно измерение (еквивалентно на това, което дефинирахме в началото на статията), така че 1-вият закон на Фик всъщност изразява, че дифузията е право пропорционална на концентрационния градиент. В допълнение, той също така показва, че промяната е от по-висока към по-ниска концентрация (оттук и знакът минус в уравнението) и че константата на пропорционалността е коефициентът на дифузия.

Вторият закон на Фик

Вторият закон на Фик е даден от:

Левият член представлява скоростта на промяна на концентрацията във времето в дадена точка в пространството, така че този закон ни позволява да определим как концентрацията на дадено вещество се променя във времето поради дифузия. Можем да видим, че ако няма градиент на дифузия, тогава дясната страна на уравнението е нула (0), така че скоростта на промяна на концентрацията също ще бъде нула и следователно концентрацията не се променя с течение на времето ( тя остава постоянна).

Примери за дифузия

Дифузия през клетъчната мембрана

Процесът, при който мастноразтворимото вещество като въглероден диоксид преминава през клетъчната мембрана, е прост процес на дифузия, управляван от законите на Фик. В този случай дифузията зависи от това колко липидно разтворимо е разтвореното вещество, концентрациите на разтвореното вещество вътре и извън клетката, дебелината на мембраната и други променливи.

Разпръскване на парфюм в затворено помещение

Всички сме виждали в даден момент някой, който слага парфюм от едната страна на стаята и след известно време миризмата на парфюма достига до ноздрите ни. Това се случва благодарение на дифузията на ароматни частици във въздуха.

Дифузия на мастило върху тъканта на риза

Нещастен пример за дифузия през твърд материал е това, което се случва, когато капка мастило падне върху плат. След известно време капката се разпространява през материала чрез дифузия.

Капка багрило в чаша вода

Това е класическият пример за процеса на дифузия в течна среда, тъй като е много лесен за наблюдение. Ако малка капка оцветител за храна се постави внимателно в чаша, пълна с вода, първо можем да наблюдаваме как капката пада на дъното, генерирайки малки цветни арабески отстрани. Това не е дифузия, а механично смесване.

Въпреки това, след известно време капката ще остане неподвижна, след като всички потоци течност се разсеят. От този момент нататък можете да видите появата на вид дифузен ореол около мястото, където цветът е най-интензивен, и с течение на времето този ореол става все по-голям и по-голям, но винаги избледнява. Изглежда по-тъмен в началото и напълно прозрачен в края. Това е белегът на процеса на дифузия. Това е бавен процес и винаги преминава от мястото, където веществата са по-концентрирани, до мястото, където са по-малко концентрирани.

След дълъг период от време, без да е необходимо да разклащаме чашата, ще забележим, че цветът става по-равномерен. Това е така, защото дифузията бавно хомогенизира разтвора.

Препратки

Macneill, H., Battaglia, G., Carpi, A. (nd). Дифузия – Въведение. Извлечено от https://www.visionlearning.com/es/library/Qu%C3%ADmica/1/Difusi%C3%B3n/216

дифузия. Законът на Фик (nd) Изтеглено от http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/transporte/difusion/difusion.htm

Sanboh Lee, HY Lee, IF Lee, CY Teeng (2004). Дифузия на мастило във вода . Eur. J. Phys. 25. 331-336. Извлечено от http://mitgcm.org/~edhill/Tracer_work/papers/ejp4_2_020.pdf