확산 예

확산은 농도가 높은 곳에서 농도가 낮은 곳으로 입자가 순이동하는 물질 수송 과정입니다 . 간단히 말해서 확산은 농도 차이에 의해 구동되는 물질의 이동입니다.

확산은 수백 년 동안 알려져 왔습니다. 우리는 빵집에서 갓 구운 빵 냄새를 맡을 때, 몇 미터 떨어진 다른 방에 있는데도 부엌에서 나는 커피 향을 느낄 때, 또는 근처를 지나갈 때마다 향 냄새를 맡을 때 그것을 경험합니다. 사원.

경험에 따르면 이것은 수동적이고 자발적인 과정입니다. 첫째, 에너지 입력이 필요하지 않기 때문이고, 둘째, 우리가 원하든 원하지 않든 공간의 두 위치 사이에 농도 차이가 있을 때마다 발생하기 때문입니다.

확산에 영향을 미치는 요인

확산 과정은 입자가 확산되는 매질과 입자 자체의 특성 모두와 관련된 여러 변수에 따라 달라집니다.

집중

확산이 발생하는 결정 요인은 농도 구배가 있다는 것입니다. 즉, 입자가 한 지점에서 다른 지점으로 확산되기 위해서는 공간의 두 지점에서 입자 농도의 차이가 있어야 합니다.

농도 구배는 공간(또는 매질)의 두 지점에서 물질의 농도 차이와 두 지점 사이의 거리 사이의 몫으로 표현됩니다. 수학적으로 이것은 다음과 같이 쓰여집니다.

중요한 것은 농도 그 자체가 아니라 농도에 차이가 있다는 것이다. 공간의 두 지점이 매우 높은 농도를 가지고 있지만 둘 다 동일하면 두 지점 사이에 확산이 없습니다.

온도

확산은 물질을 구성하는 입자의 모든 방향으로의 무작위 운동으로 인해 발생합니다. 이것을 발견한 19세기 식물학자 로버트 브라운(Robert Brown)을 기리기 위해 브라운 운동(Brownian movement)이라고 불리는 이 운동은 물질을 구성하는 입자들 사이의 충돌에서 발생합니다.

열적 교반은 온도에 따라 증가하므로 확산 과정은 더 높은 온도에서 더 빨라집니다.

그것이 전파되는 매체

그렇게 보이지 않을 수도 있지만 확산은 기체, 액체 및 고체를 포함한 모든 유형의 물질에서 발생할 수 있습니다. 그러나 프로세스는 각 매체에서 동일하지 않습니다.

예를 들어, 커피의 향은 공기를 통해 매우 잘 확산되지만 금속을 통해서는 확산되지 않습니다. 이것의 증거는 커피로 가득 찬 밀봉된 보온병이 뚜껑을 여는 순간까지 커피 향을 발산하지 않는다는 사실입니다. 그러나 충분한 시간이 주어지면 향긋한 커피 입자는 결국 금속을 통해 확산될 것입니다. 어떤 재료도 완벽하게 불투과성이 아니기 때문입니다.

입자의 질량

입자의 질량은 확산 속도에 직접적인 영향을 미칩니다. 더 무거운 입자는 주어진 온도에서 더 가벼운 입자보다 더 느리게 움직이는 경향이 있습니다. 이러한 이유로 입자가 무거울수록 확산 속도가 느려집니다.

입자의 모양과 크기

질량에 의존하는 것 외에도 입자의 모양은 다른 매질로 확산되는 능력에 크게 영향을 미칩니다. 입자가 더 작고 구형일수록 다른 매질을 통해 더 잘 확산됩니다.

확산 방정식

확산 과정은 주로 Graham의 법칙과 Fick의 법칙에 의해 특징지어집니다.

그레이엄의 법칙

그레이엄의 법칙에 따르면 두 기체가 서로 확산될 때 확산 속도는 밀도의 제곱에 반비례합니다. 우리는 이제 가스의 밀도가 몰 질량에 비례한다는 것을 알고 있으며, 이를 통해 가스의 몰 질량에 대한 그레이엄의 법칙을 설명할 수 있습니다. 수학적 형태로 그레이엄의 법칙에 따르면 두 기체 A와 B의 확산 속도 사이의 관계는 다음과 같습니다.

여기서 v _A 및 v _B는 각 가스의 평균 확산 속도를 나타내고 MA _및 M _B 는 각각의 몰 질량입니다.

픽의 법칙

Fick의 법칙은 확산 과정을 지배하는 수학적 표현입니다. 그 솔루션은 매질을 통한 물질의 확산 속도를 정량화하고 입자의 농도가 주어진 지점에서 시간의 함수로 어떻게 변하는지를 결정할 수 있게 합니다.

Fick의 첫 번째 법칙

Fick의 첫 번째 법칙의 가장 간단한 형태는 다음과 같습니다.

여기서 J는 주어진 지점에서 단위 면적 및 단위 시간당 통과하는 입자의 수를 나타내고, D는 확산 계수라고 하는 비례 상수, φ는 농도 , x는 위치를 나타냅니다.

몫 dφ/dx는 단일 차원의 농도 구배(기사 시작 부분에서 정의한 것과 동일)를 나타내므로 Fick의 제1법칙은 실제로 확산이 농도 구배에 정비례한다고 표현합니다. 또한, 이는 높은 농도에서 낮은 농도로의 이동(따라서 방정식의 마이너스 기호)과 비례 상수가 확산 계수임을 나타냅니다.

Fick의 두 번째 법칙

Fick의 두 번째 법칙은 다음과 같습니다.

왼쪽 멤버는 공간의 주어진 지점에서 시간에 따른 농도 변화율을 나타내므로 이 법칙을 통해 확산으로 인해 물질의 농도가 시간에 따라 어떻게 변하는지 확인할 수 있습니다. 확산 구배가 없으면 방정식의 오른쪽이 0이므로 농도의 변화율도 0이 되고 따라서 시간이 지나도 농도가 변하지 않는다는 것을 알 수 있습니다( 일정하게 유지됩니다).

확산 예

세포막을 통한 확산

이산화탄소와 같은 지용성 물질이 세포막을 통과하는 과정은 Fick의 법칙이 지배하는 단순한 확산 과정입니다. 이 경우 확산은 용질이 얼마나 지용성인지, 세포 내부와 외부의 용질 농도, 막의 두께 및 기타 변수에 따라 달라집니다.

밀폐된 공간에서 향수의 확산

우리 모두는 어떤 사람이 방 한쪽에 향수를 뿌리고 잠시 후에 향수 냄새가 코에 닿는 것을 본 적이 있습니다. 이것은 공기를 통한 방향족 입자의 확산으로 인해 발생합니다.

셔츠 원단의 잉크 확산

고체 물질을 통한 확산의 안타까운 예는 잉크 한 방울이 천에 떨어질 때 발생합니다. 잠시 후 방울은 확산을 통해 재료를 통해 퍼집니다.

물 한 잔에 염료 한 방울

이것은 관찰하기가 매우 쉽기 때문에 액체 매질에서 확산 과정의 전형적인 예입니다. 작은 식용 색소 한 방울을 물이 가득 찬 유리잔에 조심스럽게 넣으면 먼저 그 방울이 어떻게 바닥으로 떨어져 측면에 작은 색의 아라베스크 무늬가 생기는지 관찰할 수 있습니다. 이것은 확산이 아니라 기계적 혼합입니다.

그러나 일정 시간이 지나면 액체의 모든 흐름이 소산된 후에도 방울은 여전히 ​​남아 있습니다. 그 순간부터 색이 가장 진한 부분을 중심으로 일종의 디퓨즈 후광이 나타나는 것을 볼 수 있으며, 시간이 지남에 따라 그 후광은 점점 커지지만 항상 희미해집니다. 끝까지 투명. 이것이 확산 과정의 표시입니다. 그것은 느린 과정이며 항상 물질이 더 집중된 곳에서 덜 집중된 곳으로 이동합니다.

오랜 시간이 지나면 유리를 흔들지 않아도 색상이 더 균일해집니다. 이는 확산이 용액을 천천히 균질화했기 때문입니다.

참조

Macneill, H., Battaglia, G., Carpi, A. (nd). 확산 – 소개. https://www.visionlearning.com/es/library/Qu%C3%ADmica/1/Difusi%C3%B3n/216 에서 가져옴

확산. Fick의 법칙(nd) http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/transporte/difusion/difusion.htm 에서 검색

이산보, 이효리, IF Lee, CY Teeng (2004). 물에 있는 잉크 확산 . Eur. J. Phys. 25. 331-336. http://mitgcm.org/~edhill/Tracer_work/papers/ejp4_2_020.pdf 에서 가져옴