Fizikteki sayısız fenomen arasında, difüzyon süreci en basit ve en anlaşılır olanlardan biridir. Sonuçta, her sabah kendine kokulu çay veya kahve hazırlayan bir kişi, bu reaksiyonu pratikte gözlemleme fırsatına sahiptir. Bu süreç ve farklı toplu durumlarda ortaya çıkma koşulları hakkında daha fazla bilgi edelim.
Difüzyon nedir
Bu kelime, bir maddenin moleküllerinin veya atomlarının diğerinin benzer yapısal birimleri arasına nüfuz etmesini ifade eder. Bu durumda, nüfuz eden bileşiklerin konsantrasyonu dengelenir.
Bu süreç ilk olarak 1855'te Alman bilim adamı Adolf Fick tarafından ayrıntılı olarak anlatıldı
Bu terimin adı Latince sözlü isim diffusio'dan (etkileşim, dağılım, dağıtım) oluşmuştur.
Bir sıvıda difüzyon
İncelenen süreç, gaz halinde, sıvı ve katı olmak üzere üç kümelenme halindeki maddelerle meydana gelebilir. Bunun pratik örnekleri için, sadece bakınmutfak.
Ocakta haşlanmış pancar çorbası da onlardan biri. Sıcaklığın etkisi altında, glukozin betanin molekülleri (pancarların bu kadar zengin bir kırmızı renge sahip olduğu bir madde), su molekülleri ile eşit şekilde reaksiyona girerek ona eşsiz bir bordo tonu verir. Bu durum sıvılarda difüzyona bir örnektir.
Porno çorbasına ek olarak bir bardak çay veya kahvede de bu işlem görülebilir. Bu içeceklerin her ikisi de, suda çözünen çay yapraklarının veya kahve parçacıklarının molekülleri arasında eşit olarak dağılması ve renklendirilmesi nedeniyle, tek tip zengin bir gölgeye sahiptir. Doksanların tüm popüler hazır içeceklerinin eylemi aynı prensibe dayanmaktadır: Yupi, Invite, Zuko.
Gazların iç içe geçmesi
Mutfakta söz konusu sürecin tezahürlerini aramaya devam ederken, yemek masasındaki bir buket taze çiçekten yayılan hoş aromayı koklamaya ve tadını çıkarmaya değer. Bu neden oluyor?
Koku taşıyan atomlar ve moleküller aktif hareket halindedir ve sonuç olarak, halihazırda havada bulunan parçacıklarla karıştırılır ve odanın hacminde oldukça eşit bir şekilde dağılır.
Bu, gazlardaki difüzyonun bir tezahürüdür. Mutfakta taze pişmiş pancar çorbasının iştah açıcı kokusunun yanı sıra, havanın solunmasının da söz konusu sürece ait olduğunu belirtmekte fayda var.
Katılarda difüzyon
Çiçekli mutfak masası parlak sarı bir masa örtüsüyle kaplı. O sayesinde benzer bir gölge aldıdifüzyonun katılardan geçme yeteneği.
Tuvale tek tip bir gölge verme süreci aşağıdaki gibi birkaç aşamada gerçekleşir.
- Mürekkep tankında lifli malzemeye doğru yayılan sarı pigment parçacıkları.
- Daha sonra boyalı kumaşın dış yüzeyi tarafından emildiler.
- Bir sonraki adım yine boyayı dağıtmaktı, ancak bu sefer ağın liflerine.
- Son olarak, kumaş pigment parçacıklarını sabitledi ve böylece renklendi.
Gazların metallerde difüzyonu
Genellikle, bu süreç hakkında konuşurken, aynı kümelenme durumundaki maddelerin etkileşimini düşünün. Örneğin, katılarda difüzyon, katılar. Bu fenomeni kanıtlamak için, birbirine bastırılmış iki metal plaka (altın ve kurşun) ile bir deney yapılır. Moleküllerinin iç içe geçmesi oldukça uzun zaman alır (beş yılda bir milimetre). Bu işlem sıra dışı takılar yapmak için kullanılır.
Ancak, farklı kümelenme durumlarındaki bileşikler de yayılma yeteneğine sahiptir. Örneğin katılarda gazların difüzyonu vardır.
Deneyler sırasında böyle bir sürecin atomik halde gerçekleştiği kanıtlandı. Etkinleştirmek için, kural olarak, sıcaklık ve basınçta önemli bir artışa ihtiyacınız vardır.
Katılarda bu tür gaz difüzyonunun bir örneği hidrojen korozyonudur. olduğu durumlarda kendini gösterir. Yüksek sıcaklıkların (200 ila 650 santigrat derece) etkisi altında bazı kimyasal reaksiyonlar sırasında ortaya çıkan hidrojen atomları (Н2), metalin yapısal parçacıkları arasına nüfuz eder.
Katılarda hidrojene ek olarak oksijen ve diğer gazların difüzyonu da meydana gelebilir. Gözle algılanamayan bu işlem çok zarar verir çünkü metal yapılar bu nedenle çökebilir.
Sıvıların metallerde difüzyonu
Ancak, yalnızca gaz molekülleri katılara değil, sıvılara da nüfuz edebilir. Hidrojen durumunda olduğu gibi, çoğu zaman bu işlem korozyona yol açar (metaller söz konusu olduğunda).
Katılarda sıvı difüzyonun klasik bir örneği, su (H2O) veya elektrolit çözeltilerinin etkisi altında metallerin korozyonudur. Çoğu için bu süreç paslanma adı altında daha tanıdıktır. Hidrojen korozyonunun aksine, pratikte çok daha sık karşılaşılması gerekir.
Difüzyonu hızlandırma koşulları. Difüzyon katsayısı
İncelenen sürecin oluşabileceği maddelerle ilgilendikten sonra, oluşma koşullarını öğrenmeye değer.
Her şeyden önce, difüzyon hızı etkileşen maddelerin toplam durumuna bağlıdır. Reaksiyonun meydana geldiği malzemenin yoğunluğu ne kadar büyük olursa, hızı o kadar yavaş olur.
Bu bakımdan sıvılarda ve gazlarda difüzyon her zaman katılardan daha aktif olacaktır.
Örneğin, eğer kristallerpotasyum permanganat KMnO4 (potasyum permanganat) suya atın, güzel bir ahududu rengi verirler birkaç dakika içinde Renk. Ancak, KMnO4 kristallerini bir buz parçasının üzerine serpip hepsini dondurucuya koyarsanız, birkaç saat sonra potasyum permanganat donmuş H 2O.
tamamen renklenemiyor
Önceki örnekten, difüzyon koşulları hakkında bir sonuç daha çıkarılabilir. Toplanma durumuna ek olarak, sıcaklık da parçacıkların iç içe geçme oranını etkiler.
İncelenen sürecin ona bağımlılığını düşünmek için, difüzyon katsayısı gibi bir kavram hakkında bilgi edinmeye değer. Bu, hızının nicel özelliğinin adıdır.
Çoğu formülde büyük Latin harfi D ile gösterilir ve SI sisteminde metrekare/saniye (m²/s), bazen santimetre/saniye (cm2) olarak ölçülür. /m).
Difüzyon katsayısı, her iki yüzeydeki (birim uzunluğa eşit uzaklıkta bulunan) yoğunluk farkının bire eşit olması koşuluyla, birim zaman boyunca birim yüzeyden saçılan madde miktarına eşittir. D'yi belirleyen kriterler, partikül saçılma işleminin gerçekleştiği maddenin özellikleri ve türleridir.
Katsayının sıcaklığa bağımlılığı Arrhenius denklemi kullanılarak açıklanabilir: D=D0exp(-E/TR).
Ele alınan formülde E, süreci etkinleştirmek için gereken minimum enerjidir; T - sıcaklık (Kelvin cinsinden ölçülür, Celsius değil); R-ideal bir gazın gaz sabiti özelliği.
Yukarıdakilerin tümüne ek olarak, katılarda, gazlarda sıvılarda difüzyon hızı, basınç ve radyasyondan (endüktif veya yüksek frekans) etkilenir. Ek olarak, çoğu katalitik bir maddenin varlığına bağlıdır, genellikle parçacıkların aktif dağılımının başlaması için bir tetikleyici görevi görür.
Difüzyon denklemi
Bu fenomen, kısmi diferansiyel denklemin özel bir şeklidir.
Amacı, bir maddenin konsantrasyonunun uzayın (içinde yayıldığı) boyutuna ve koordinatlarına ve ayrıca zamana bağımlılığını bulmaktır. Bu durumda, verilen katsayı ortamın reaksiyon için geçirgenliğini karakterize eder.
Çoğu zaman, difüzyon denklemi şu şekilde yazılır: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
İçinde φ (t ve r), t zamanında r noktasında saçılan maddenin yoğunluğudur. D (φ, r) - r noktasındaki yoğunlukta φ genelleştirilmiş difüzyon katsayısı.
∇ - bileşenleri koordinatlarda kısmi türev olan vektör diferansiyel operatörü.
Difüzyon katsayısı yoğunluğa bağlı olduğunda, denklem doğrusal değildir. Değilken - doğrusal.
Difüzyonun tanımı ve bu sürecin farklı ortamlardaki özellikleri göz önüne alındığında hem olumlu hem de olumsuz yanları olduğu not edilebilir.
