Diffuusioesimerkkejä

Diffuusio on aineen kuljetusprosessi, jossa hiukkasten nettoliike siirtyy alueelta, jossa ne ovat korkeammalla pitoisuudella, toiselle, jossa ne ovat alhaisempia . Yksinkertaisesti sanottuna diffuusio on aineiden liikkumista, jota ohjaavat pitoisuuserot.

Diffuusio on ollut tiedossa satoja vuosia. Koemme sen ilmassa, kun haistamme leipomosta tulevaa tuoretta leipää, tunnemme keittiöstä tulevan kahvin tuoksun, vaikka olemmekin toisessa huoneessa useiden metrien päässä, tai kun haistamme suitsuketta joka kerta, kun ohitimme sen lähellä. temppeli.

Kokemus kertoo, että tämä on passiivinen ja spontaani prosessi. Ensinnäkin, koska se ei vaadi energian syöttöä, ja toiseksi, koska se tapahtuu, halusimme sitä tai emme, aina kun kahden avaruuden paikan pitoisuuksissa on eroja.

Diffuusioon vaikuttavat tekijät

Diffuusioprosessi riippuu useista muuttujista, jotka liittyvät sekä väliaineeseen, jossa hiukkaset diffundoituvat, että itse hiukkasten ominaisuuksiin.

Keskittyminen

Mainitsimme jo, että diffuusion esiintymisen määräävä tekijä on se, että on olemassa pitoisuusgradientti, eli hiukkasten pitoisuuksissa täytyy olla ero kahdessa avaruuden pisteessä, jotta hiukkaset diffundoituvat yhdestä toiseen.

Konsentraatiogradientti ilmaistaan ​​aineen pitoisuuksien eron kahdessa pisteessä avaruudessa (tai väliaineessa) ja näiden kahden pisteen välisen etäisyyden osamääränä. Matemaattisesti tämä kirjoitetaan näin

Tärkeää ei ole itse pitoisuus, vaan se, että pitoisuuksissa on eroja. Jos kahdella avaruuden pisteellä on erittäin korkeat pitoisuudet, mutta ne ovat molemmat yhtä suuret, kahden pisteen välillä ei ole diffuusiota.

Lämpötila

Diffuusio johtuu aineen muodostavien hiukkasten satunnaisista liikkeistä kaikkiin suuntiin. Tämä liike, jota kutsutaan Brownin liikkeeksi, kunniaksi 1800-luvun kasvitieteilijälle, joka löysi sen, Robert Brownin, tulee törmäyksistä aineen muodostavien hiukkasten välillä, jotka ovat jatkuvassa lämpösekoituksessa.

Koska lämpösekoitus lisääntyy lämpötilan myötä, diffuusioprosessit nopeutuvat korkeammissa lämpötiloissa.

Media, jossa se levitetään

Vaikka se ei ehkä vaikuta siltä, ​​diffuusio voi tapahtua missä tahansa aineessa, mukaan lukien kaasut, nesteet ja myös kiinteät aineet. Prosessi ei kuitenkaan ole sama jokaisessa mediassa.

Esimerkiksi kahvin aromi leviää erittäin hyvin ilman läpi, mutta ei metallin läpi. Tästä todisteena on se, että sinetöity termospullo, joka on täynnä kahvia, ei anna kahvin aromia ennen kuin se paljastuu. Riittävän ajan myötä aromaattiset kahvihiukkaset kuitenkin diffundoituvat metallin läpi, koska mikään materiaali ei ole täysin läpäisemätöntä.

Hiukkasten massa

Hiukkasten massalla on suora vaikutus nopeuteen, jolla ne voivat diffundoitua. Raskaammat hiukkaset liikkuvat yleensä hitaammin kuin kevyemmät hiukkaset tietyssä lämpötilassa. Tästä syystä mitä painavampi hiukkanen on, sitä hitaammin se diffundoituu.

Hiukkasten muoto ja koko

Massariippuvuuden lisäksi hiukkasen muoto vaikuttaa suuresti sen kykyyn diffundoitua eri väliaineisiin. Mitä pienempi ja pallomaisempi hiukkanen on, sitä paremmin se pystyy diffundoitumaan eri välineiden läpi.

diffuusioyhtälöt

Diffuusioprosessia luonnehtivat pääasiassa Grahamin laki ja Fickin lait.

Grahamin laki

Grahamin laki sanoo, että kun kaksi kaasua diffundoituu toisiinsa, diffuusionopeus on kääntäen verrannollinen niiden tiheyden neliöön. Tiedämme nyt, että kaasun tiheys on verrannollinen sen moolimassaan, mikä mahdollistaa Grahamin lain ilmaisemisen kaasun moolimassana. Matemaattisessa muodossa Grahamin laki sanoo, että kahdelle kaasulle, A ja B, niiden diffuusionopeuksien välinen suhde saadaan seuraavasti:

missä v _A ja v _B edustavat kunkin kaasun keskimääräisiä diffuusionopeuksia ja M _A ja _MB ovat niiden vastaavat moolimassat.

Fickin lait

Fickin lait ovat matemaattisia lausekkeita, jotka ohjaavat diffuusioprosesseja. Sen ratkaisu mahdollistaa aineen diffuusionopeuden kvantifioinnin väliaineen läpi ja myös sen, kuinka hiukkasten pitoisuus vaihtelee tietyssä pisteessä ajan funktiona.

Fickin ensimmäinen laki

Fickin ensimmäisen lain yksinkertaisin muoto saadaan seuraavasti:

jossa J edustaa hiukkasten lukumäärää, jotka kulkevat pinta-alayksikköä ja aikayksikköä kohti tietyssä pisteessä, D on suhteellisuusvakio, jota kutsutaan diffuusiokertoimeksi, φ edustaa pitoisuutta ja x sijaintia.

Osamäärä dφ/dx edustaa pitoisuusgradienttia yhdessä ulottuvuudessa (vastaa sitä, jonka määritimme artikkelin alussa), joten Fickin ensimmäinen laki ilmaisee itse asiassa, että diffuusio on suoraan verrannollinen pitoisuusgradienttiin. Lisäksi se osoittaa myös, että siirtymä on korkeammasta pienempään pitoisuuteen (siis miinusmerkki yhtälössä) ja että suhteellisuusvakio on diffuusiokerroin.

Fickin toinen laki

Fickin toinen laki on annettu seuraavasti:

Vasen jäsen edustaa pitoisuuden muutosnopeutta ajan kuluessa tietyssä avaruuden pisteessä, joten tämän lain avulla voimme määrittää, kuinka aineen pitoisuus muuttuu ajan myötä diffuusion vuoksi. Näemme, että jos diffuusiogradienttia ei ole, yhtälön oikea puoli on nolla (0), joten pitoisuuden muutosnopeus on myös nolla ja siksi pitoisuus ei muutu ajan kuluessa ( se pysyy vakiona).

Diffuusioesimerkkejä

Diffuusio solukalvon läpi

Prosessi, jolla rasvaliukoinen aine, kuten hiilidioksidi, läpäisee solukalvon, on yksinkertainen diffuusioprosessi, jota säätelevät Fickin lait. Tässä tapauksessa diffuusio riippuu liuenneen aineen rasvaliukoisuudesta, liuenneen aineen pitoisuuksista solun sisällä ja ulkopuolella, kalvon paksuudesta ja muista muuttujista.

Hajuveden diffuusio suljetussa huoneessa

Olemme kaikki nähneet jossain vaiheessa jonkun, joka laittaa hajuvettä huoneen toiselle puolelle ja hetken kuluttua hajuveden tuoksu saavuttaa sieraimemme. Tämä tapahtuu aromaattisten hiukkasten diffuusion ansiosta ilman läpi.

Musteen diffuusio paidan kankaalle

Valitettava esimerkki diffuusiosta kiinteän materiaalin läpi on se, mitä tapahtuu, kun mustepisara putoaa kankaalle. Jonkin ajan kuluttua pisara leviää materiaalin läpi diffuusion avulla.

Pisara väriainetta lasilliseen vettä

Tämä on klassinen esimerkki diffuusioprosessista nestemäisessä väliaineessa, koska se on erittäin helppo havaita. Jos pieni pisara elintarvikeväriä laitetaan varovasti vettä täynnä olevaan lasiin, voimme ensin tarkkailla, kuinka pisara putoaa pohjaan ja muodostaa pieniä värillisiä arabeskeja sivuille. Tämä ei ole diffuusiota, vaan mekaanista sekoittamista.

Tietyn ajan kuluttua pisara kuitenkin pysyy paikallaan, kun kaikki nestevirrat ovat haihtuneet. Siitä hetkestä lähtien voit nähdä eräänlaisen hajanaisen sädekehän ilmestyvän sen ympärille, missä väri on voimakkain, ja ajan kuluessa se halo kasvaa ja kasvaa, mutta se haalistuu aina. Se näyttää tummemmalta lähellä alkua ja kokonaan läpinäkyvä lopussa. Se on diffuusioprosessin merkki. Se on hidas prosessi, ja se siirtyy aina siitä, missä aineet ovat väkevämpiä, sinne, missä ne ovat vähemmän väkeviä.

Pitkän ajan kuluttua, ilman tarvetta ravistaa lasia, huomaamme, että väri muuttuu tasaisemmaksi. Tämä johtuu siitä, että diffuusio on hitaasti homogenisoinut liuoksen.

Viitteet

Macneill, H., Battaglia, G., Carpi, A. (nd). Diffuusio – Johdanto. Haettu osoitteesta https://www.visionlearning.com/es/library/Qu%C3%ADmica/1/Difusi%C3%B3n/216

Diffuusio. Fickin laki (nd) Haettu osoitteesta http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/transporte/difusion/difusion.htm

Sanboh Lee, HY Lee, IF Lee, CY Teeng (2004). Musteen diffuusio vedessä . Eur. J. Phys. 25. 331-336. Haettu osoitteesta http://mitgcm.org/~edhill/Tracer_work/papers/ejp4_2_020.pdf