Tabla de Contenidos
A diffúzió egy anyagszállítási folyamat, amelyben a részecskék nettó mozgása történik egy olyan területről, ahol nagyobb koncentrációban vannak, egy másikra, ahol alacsonyabb koncentrációban vannak . Egyszerűen fogalmazva, a diffúzió az anyagok koncentrációkülönbségek által vezérelt mozgása.
A diffúzió több száz éve ismert. A levegőben tapasztaljuk, amikor egy pékségből frissen sült kenyér illatát érezzük, amikor megérezzük a konyhából kiáramló kávé illatát annak ellenére, hogy néhány méterrel távolabb egy másik szobában vagyunk, vagy ha füstölőt érzünk minden alkalommal, amikor elhaladtunk a közelében. egy templom.
A tapasztalat azt mutatja, hogy ez passzív és spontán folyamat. Egyrészt azért, mert nem igényel energiabevitelt, másodszor pedig azért, mert akár akarjuk, akár nem, megtörténik, amikor a tér két helye között koncentrációkülönbség van.
A diffúziót befolyásoló tényezők
A diffúziós folyamat számos változótól függ, amelyek mind a közeggel, amelyben a részecskék diffundálnak, mind a részecskék jellemzőivel kapcsolatosak.
Koncentráció
Korábban már említettük, hogy a diffúzió létrejöttének meghatározó tényezője, hogy van egy koncentrációgradiens, vagyis a részecskék koncentrációjában különbségnek kell lennie a tér két pontján ahhoz, hogy a részecskék egyikből a másikba diffundálódjanak.
A koncentráció gradienst a tér (vagy a közeg) két pontjában lévő anyag koncentrációinak különbsége és a két pont közötti távolság hányadosaként fejezzük ki. Matematikailag ez így van írva
Nem maga a koncentráció számít, hanem az, hogy a koncentrációk között legyen különbség. Ha a tér két pontjának koncentrációja nagyon magas, de mindkettő egyenlő, akkor a két pont között nem lesz diffúzió.
Hőfok
A diffúzió az anyagot alkotó részecskék minden irányban történő véletlenszerű mozgása miatt következik be. Ez a mozgalom, amelyet Brown-mozgalomnak neveznek, a felfedező 19. századi botanikus, Robert Brown tiszteletére, az anyagot alkotó részecskék közötti ütközésekből ered, amelyek állandó hőkezelés alatt állnak.
Mivel a hőkeverés a hőmérséklettel növekszik, ezért magasabb hőmérsékleten a diffúziós folyamatok felgyorsulnak.
A médium, amelyben terjesztik
Bár nem úgy tűnik, a diffúzió bármilyen típusú anyagban előfordulhat, beleértve a gázokat, folyadékokat és szilárd anyagokat is. A folyamat azonban nem minden közegben ugyanaz.
Például a kávé aromája nagyon jól átterjed a levegőn, de nem a fémen. Ezt bizonyítja, hogy egy lezárt, kávéval teli termosz a felfedés pillanatáig nem bocsát ki kávéaromát. Ha azonban elegendő idő áll rendelkezésre, az aromás kávérészecskék végül átdiffundálnak a fémen, mivel egyetlen anyag sem tökéletesen áteresztő.
A részecskék tömege
A részecskék tömege közvetlen hatással van a diffúzió sebességére. A nehezebb részecskék hajlamosak lassabban mozogni, mint a könnyebb részecskék adott hőmérsékleten. Emiatt minél nehezebb egy részecske, annál lassabban fog diffundálni.
A részecskék alakja és mérete
A tömegtől függően a részecske alakja nagyban befolyásolja a különböző közegekbe való bediffundálási képességét. Minél kisebb és gömbölyűbb egy részecske, annál jobb a képessége, hogy különböző közegeken keresztül diffundáljon.
diffúziós egyenletek
A diffúziós folyamatot elsősorban Graham és Fick törvényei jellemzik.
Graham törvénye
Graham törvénye kimondja, hogy amikor két gáz diffundál egymásba, a diffúzió sebessége fordítottan arányos a sűrűségük négyzetével. Ma már tudjuk, hogy a gáz sűrűsége arányos a moláris tömegével, ami lehetővé teszi, hogy Graham törvényét a gáz moláris tömegével fejezzük ki. Matematikai formában Graham törvénye kimondja, hogy két gáz, A és B esetében a diffúziós sebességük közötti összefüggést a következőképpen adja meg:
ahol v A és v B az egyes gázok átlagos diffúziós sebességét jelenti, M A és M B pedig a megfelelő moláris tömegüket.
Fick törvényei
A Fick-törvények a diffúziós folyamatokat irányító matematikai kifejezések. Megoldása lehetővé teszi egy anyag közegben történő diffúziós sebességének számszerűsítését, valamint annak meghatározását, hogy a részecskék koncentrációja az idő függvényében hogyan változik egy adott ponton.
Fick első törvénye
Fick első törvényének legegyszerűbb formája a következő:
ahol J az egységnyi területen és egységnyi idő alatt áthaladó részecskék számát jelenti egy adott pontban, D az arányossági állandó, amelyet diffúziós együtthatónak neveznek, φ a koncentrációt, x pedig a pozíciót.
A dφ/dx hányados a koncentráció gradienst jelenti egyetlen dimenzióban (egyenértékű azzal, amit a cikk elején definiáltunk), tehát Fick 1. törvénye valójában azt fejezi ki, hogy a diffúzió egyenesen arányos a koncentráció gradienssel. Ezenkívül azt is jelzi, hogy az eltolódás magasabbról alacsonyabbra történik (ezért a mínusz jel az egyenletben), és az arányossági állandó a diffúziós együttható.
Fick második törvénye
Fick második törvénye a következőképpen adódik:
A bal oldali tag a koncentráció időbeli változásának sebességét jelenti a tér adott pontjában, így ez a törvény lehetővé teszi annak meghatározását, hogy az anyag koncentrációja hogyan változik az időben a diffúzió következtében. Láthatjuk, hogy ha nincs diffúziós gradiens, akkor az egyenlet jobb oldala nulla (0), így a koncentráció változási sebessége is nulla lesz, így a koncentráció nem változik az időben ( állandó marad).
Diffúziós példák
Diffúzió a sejtmembránon keresztül
Az a folyamat, amelynek során egy zsírban oldódó anyag, például a szén-dioxid átjut a sejtmembránon, egy egyszerű diffúziós folyamat, amelyet Fick törvényei szabályoznak. Ebben az esetben a diffúzió függ az oldott anyag zsíroldékonyságától, az oldott anyag sejten belüli és kívüli koncentrációjától, a membrán vastagságától és egyéb változóktól.
Parfüm diffúziója zárt helyiségben
Mindannyian láttunk már olyat, aki parfümöt tesz a szoba egyik oldalára, és egy idő után a parfüm illata eléri az orrlyukunkat. Ez az aromás részecskék levegőn keresztüli diffúziójának köszönhető.
A tinta diffúziója az ing anyagán
A szilárd anyagon keresztül történő diffúzió szerencsétlen példája az, ami akkor történik, amikor egy tintacsepp ráesik egy ruhára. Egy idő után a csepp diffúzió útján átterjed az anyagon.
Egy csepp festék egy pohár vízben
Ez a folyékony közegben történő diffúziós folyamat klasszikus példája, mivel nagyon könnyen megfigyelhető. Ha egy kis csepp ételfestéket óvatosan belehelyezünk egy vízzel teli pohárba, először megfigyelhetjük, hogyan esik le a csepp az aljára, és kis színes arabeszkeket generál az oldalakon. Ez nem diffúzió, hanem mechanikus keverés.
Egy bizonyos idő elteltével azonban a csepp mozdulatlan marad, miután az összes folyadékáram eloszlott. Ettől a pillanattól kezdve egyfajta diffúz glóriát láthatunk ott, ahol a legintenzívebb a szín, és ahogy telik az idő, ez a glória egyre nagyobb lesz, de mindig elhalványul. Az elején sötétebbnek és teljesen a vége felé átlátszó. Ez a diffúziós folyamat jele. Ez egy lassú folyamat, és mindig ott tart, ahol az anyagok koncentráltabbak, oda, ahol kevésbé koncentráltak.
Hosszú idő elteltével, anélkül, hogy meg kellene rázni az üveget, észrevesszük, hogy a szín egyenletesebbé válik. Ennek az az oka, hogy a diffúzió lassan homogenizálta az oldatot.
Hivatkozások
Macneill, H., Battaglia, G., Carpi, A. (nd). Diffúzió – Bevezetés. Letöltve: https://www.visionlearning.com/es/library/Qu%C3%ADmica/1/Difusi%C3%B3n/216
Diffúzió. Fick törvénye (nd) Letöltve: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/transporte/difusion/difusion.htm
Sanboh Lee, HY Lee, IF Lee, CY Teeng (2004). Tinta diffúziója vízben . Eur. J. Phys. 25. 331-336. Letöltve: http://mitgcm.org/~edhill/Tracer_work/papers/ejp4_2_020.pdf
