Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Диффузия играет огромную роль в природе, в быту человека и в технике . Диффузионные процессы могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность человека и животных. Примером положительного воздействия является поддержание однородного состава атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Диффузия играет важную роль в различных областях науки и техники, в процессах, происходящих в живой и неживой природе. Она оказывает влияние на течение химических реакций.

С участием диффузии или при нарушении и изменении этого процесса могут протекать отрицательные явления в природе и жизни человека, такие как обширное загрязнение окружающей среды продуктами технического прогресса человека.

Актуальность: Диффузия доказывает, что тела состоят из молекул, которые находятся в беспорядочном движении; диффузия имеет большое значение в жизни человека, животных и растений, а также в технике.

Цель:

доказать, что диффузия зависит от температуры;

рассмотреть примеры диффузии в домашних опытах;

убедиться, что диффузия в разных веществах происходит по-разному.

Рассмотреть тепловую диффузию веществ.

Задачи исследования:

Изучить научную литературу по теме «Диффузия».

Доказать зависимость скорости диффузии от рода вещества, температуры.

Изучить влияние явления диффузии на окружающую среду и человека.

Описать и спроектировать наиболее интересные опыты по диффузии.

Методы исследования:

Анализ литературы и материалов интернета.

Проведение опытов по изучению зависимости диффузии от рода вещества и температуры.

Анализ результатов.

Предмет исследования: явление диффузии, зависимость протекания диффузии от различных факторов, проявление диффузии в природе, технике, быту.

Гипотеза: диффузия имеет большое значение для человека и природы.

1.Теоретическая часть

1.1.Что такое диффузия

Диффузия - это самопроизвольное перемешивание соприкасающихся веществ, происходящее вследствие хаотического (беспорядочного) движения молекул.

Еще одно определение: диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией .

Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной).

Диффузия происходит в жидкостях, твердых телах и газах. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. Столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твердого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896г. началось изучение проблемы.

Диффузия молекул протекает очень медленно. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным.

1.2. Роль диффузии в природе

С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым костра распространяется на большие расстояния . Если посмотреть на дымовые трубы предприятий и выхлопные трубы автомобилей, во многих случаях вблизи труб виден дым. А потом он куда-то исчезает. Дым растворяется в воздухе за счет диффузии. Если же дым плотный, то его шлейф тянется довольно далеко.

Результатом диффузии может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета, ни запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком даже при весьма малой его концентрации . Такая мера предосторожности позволяет быстро заметить накопление газа в помещении, если образовалась утечка (рис 1).

Благодаря явлению диффузии нижний слой атмосферы - тропосфера - состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды . При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним - кислород, выше - азот, инертные газы (рис 2).

В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака - тоже пример диффузии и как точно об этом сказано у Ф.Тютчева: «В небе тают облака…» (рис 3)

На принципе диффузии основано перемешивание пресной волы с солёной при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.

Диффузия играет большую роль в жизни растений и животных. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости и узнают дорогу домой (рис 4)

Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчёлы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем. А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьёт воду, получает из почвы различные микродобавки .

Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи (рис 5).

Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоёмов и аквариумов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счёт диффузии через их свободную поверхность. Так, например, листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели её обитателей. По этой же причине сосуды с узким горлом непригодны для использования в качестве аквариума (рис 6).

Уже было отмечено, что есть много общего в значении явления диффузии для жизнедеятельности растений и животных. Прежде всего, следует отметить роль диффузионного обмена через поверхность растений в выполнении функции дыхания. Для деревьев, например, наблюдается особенно большое развитие поверхности(листовая крона), так как диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет функцию дыхания. К.А. Тимирязев говорил: «Будем ли мы говорить о питании корня за счёт веществ, находящихся в почве, будем ли говорить о воздушном питании листьев за счет атмосферы или питании одного органа за счёт другого, соседнего, - везде для объяснения мы будем прибегать к тем же причинам: диффузия» (рис 7).

Благодаря диффузии кислород из легких пpoникaeт в кровь человека, а из крови - в ткани.

В научной литературе я изучила процесс односторонней диффузии - осмос, т.е. диффузия веществ через полупроницаемые мембраны. Процесс осмоса отличается от свободной диффузии тем, что на границе двух соприкасающихся жидкостей расположено препятствие в виде перегородки (мембраны), которая проницаема только для растворителя и вовсе не проницаема для молекул растворенного вещества (рис 8).

В почвенных растворах содержатся минеральные соли и органические соединения. Вода из почвы попадает в растение путем осмоса через полупроницаемые мембраны корневых волосков. Концентрация воды в почве оказывается выше, чем внутри корневых волосков, поэтому вода проникает в зерно и дает жизнь растению.

1.3. Роль диффузии в быту и технике

Диффузия используется во многих технологических процессах: засолка, получение сахара (стружка сахарной свёклы промывается водой, молекулы сахара диффундируют из стружки в раствор), варка варенья, окрашивание тканей, стирка вещей, цементация, сварка и пайка металлов, в том числе диффузионная сварка в вакууме (свариваются металлы, которые другими методами соединить невозможно, - сталь с чугуном, серебро с нержавеющей сталью и т.д.) и диффузионная металлизация изделий(поверхностное насыщение стальных изделий алюминием, хромом, кремнием), азотирование - насыщение поверхности стали азотом (сталь становится твёрдой, износоустойчивой), цементация - насыщение стальных изделий углеродом, цианирование -насыщение поверхности стали углеродом и азотом .

Распространение запахов в воздухе - наиболее часто встречающийся пример диффузии в газах. Почему же запах распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время? Дело в том, что во время движения в определенном направлении молекулы пахучего вещества сталкиваются с молекулами воздуха. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения.

2. Практическая часть

Как много удивительного и интересного происходит вокруг нас! Многое хочется узнать, попытаться объяснить самостоятельно. Именно для этого я решила провести ряд экспериментов, в ходе которых попыталась выяснить, действительно ли теория диффузии справедлива, находит ли она свое подтверждение на практике. Любую теорию можно считать достоверной лишь в том случае, если она многократно подтверждается экспериментально.

Опыт №1 Наблюдение явления диффузии в жидкостях

Цель : изучить диффузию в жидкости. Пронаблюдать растворение кусочков перманганата калия в воде, при неизменной температуре (при t = 20°С)

Приборы и материалы :стакан с водой, термометр, перманганат калия.

Я взяла кусочек перманганата калия и два стакана с чистой водой при температуре 20 °С. Положила в стаканы кусочки перманганата калия и начала наблюдать за происходящим. Через 1 минуту вода в стаканах начинает окрашиваться.

Вода является хорошим растворителем. Под действием молекул воды происходит разрушение связей между молекулами твердых веществ марганцовки.

В первом стакане я не перемешивала раствор, а во втором перемешала. Перемешивая воду (взбалтывая), я убедилась, что процесс диффузии происходит гораздо быстрее (2 минуты)

Цвет воды в первом стакане становится более интенсивным по истечении времени. Молекулы воды проникают между молекулами перманганата калия, нарушая силы притяжения. Одновременно с силами притяжения между молекулами начинают действовать силы отталкивания и, как следствие, происходит разрушение кристаллической решетки твердого вещества. Процесс растворения марганцовки закончился. Время прохождения эксперимента 3 часа 15 минут. Вода полностью окрасилась в малиновый цвет (рис 9-12).

Можно сделать вывод, что явление диффузии в жидкости - это длительный процесс, в результате которого происходит растворение твердых тел.

Я захотела выяснить, от чего еще зависит скорость протекания диффузии.

Опыт №2 Изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры

Цель: изучить, как температура воды влияет на скорость протекания диффузии.

Приборы и материалы: термометры - 1 шт, секундомер - 1 шт, стаканы - 4 шт, чай, перманганат калия.

(опыт приготовления чая при начальной температуре 20°С и при температуре 100° С в двух стаканах).

Взяли два стакана с водой при t=20 °С и t=100 °С. На рисунках показано протекание эксперимента через определенное время от начала: в начале эксперимента - рис.1, через 30 с. - рис.2, через 1 мин. - рис.3, через 2 мин. - рис.4, через 5 мин. - рис 5, через 15 мин. - рис.6. Из этого опыта можно сделать вывод о том, что на скорость протекания диффузии влияет температура: чем больше температура, тем выше скорость протекания диффузии (рис 13-17).

Те же результаты я получила, когда вместо чая взяла 2 стакана с водой. В одном из них была вода комнатной температуры, во втором кипяток.

Я опустила в каждый стакан одинаковое количество перманганата калия. В том стакане, где температура воды была выше, процесс диффузии протекал значительно быстрее (рис.18-23.)

Следовательно скорость диффузии зависит от температуры - чем выше температура, тем интенсивнее происходит диффузия.

Опыт № 3 Наблюдение диффузии с применением химических реактивов

Цель: Наблюдение явления диффузии на расстоянии.

Оборудование: вата, нашатырный спирт, фенолфталеин, пробирка.

Описание опыта: Нальём в пробирку нашатырный спирт. Смочим кусочек ваты фенолфталеином и положим сверху в пробирку. Через некоторое время наблюдаем окрашивание ватки (рис 24-26).

Нашатырный спирт испаряется; молекулы нашатырного спирта проникли к ватке, смоченной фенолфталеином, и та окрасилась, хотя ватка в соприкосновение со спиртом не приводилась. Молекулы спирта перемешались с молекулами воздуха и достигли ватки. Данный опыт демонстрирует явление диффузии на расстоянии.

Опыт №4. Наблюдение явления диффузии в газах

Цель: изучение изменения диффузии газа в воздухе в зависимости от изменения температуры в помещении.

Приборы и материалы : секундомер, духи, термометр

Описание опыта и полученные результаты :я исследовала время распространения запаха духов в кабинете V=120м 3 при температуре t = +20 0 . Засекалось время от начала распространения запаха в комнате, до получения явной чувствительности у людей, стоящих на расстоянии 10 м. от исследуемого объекта (духи). (рис 27-29)

Опыт №5 Растворения кусочков гуаши в воде, при неизменной температуре

Цель:

Приборы и материалы: три стакана, вода, гуашь трех цветов.

Описание опыта и полученные результаты:

Взяли три стакана, набрали воды t =25 0 С, бросили одинаковые кусочки гуаши в стаканы.

Начали наблюдать за растворением гуаши.

Фотографии сделаны через 1 минуту, 5 минут, 10 минут, 20 минут, растворение закончилось через 4 часа 19 минут (рис 30-34)

Опыт №6 Наблюдение явления диффузии в твердых телах

Цель: наблюдение диффузии в твердых телах.

Приборы и материалы: яблоко, картофель, морковь, раствор «зеленки», пипетка.

Описание опыта и полученные результаты:

Разрезаем яблоко, морковь, картофель «капаем зеленкой» на одну из половинок.

Наблюдаем, как пятно расплывается по поверхности

Разрезаем по месту соприкосновения с зеленкой, чтобы посмотреть насколько глубоко она проникла внутрь (рис 35-37)

Как провести опыт, чтобы подтвердить гипотезу о возможности протекания диффузии в твердых телах? Возможно ли перемешивание веществ в таком агрегатном состоянии? Скорей всего, ответ «Да». Но наблюдать диффузию в твердых телах (очень вязких) удобно с использованием густых гелей. Таким является плотный раствор желатина. Его можно приготовить следующим образом: 4-5 г сухого пищевого желатина растворить в холодной воде. Желатин сначала должен несколько часов набухать, а затем его полностью растворяют при помешивании в воде объемом 100 мл, опустив в сосуд с горячей водой. После охлаждения получается 4-5 % раствор желатина.

Опыт № 7 Наблюдение диффузии с применением густых гелей

Цель: Наблюдение явления диффузии в твердых телах (с применением густого раствора желатина).

Оборудование: 4%-ный раствор желатина, пробирка, небольшой кристаллик марганцовки, пинцет.

Описание и результат опыта: Раствор желатина поместить в пробирку, в центр пробирки быстро, одним движением ввести пинцетом кристаллик марганцовки.

Кристаллик марганцовки в начале опыта

Расположение кристаллика в пузырьке с раствором желатина через 1,5 часа

Уже через несколько минут вокруг кристаллика начнет расти окрашенный в фиолетовый шарик, со временем он становится все больше и больше. Это означает, что вещество кристаллика распространяется во всех направлениях с одинаковой скоростью (рис 38-39)

В твердых телах диффузия происходит, но значительно медленнее чем, в жидкостях и газах.

Опыт № 8 Разница температур в жидкости - тепловая диффузия

Цель: Наблюдение явления тепловой диффузии.

Оборудование: 4 одинаковых стеклянных сосуда, 2 цвета краски, горячая и холодная вода, 2 пластиковые карточки.

Описание и результат опыта:

1. Добавляем немного красной краски в сосуд 1 и 2, синюю краску в сосуды 3 и 4.

2. Наливаем горячую воду в сосуды 1 и 2.

3. Наливаем холодную воду в сосуды 3 и 4.

4. Сосуд 1 накрываем пластиковой картой, переворачиваем вниз горлышком и ставим на сосуд 4.

5. Сосуд 3 накрываем пластиковой картой, переворачиваем вниз горлышком и ставим на сосуд 2.

6. Удаляем обе карты.

Этот опыт демонстрирует эффект тепловой диффузии. В первом случае горячая вода оказывается поверх холодной и диффузия не происходит до тех пор, пока температуры не сравняются. А во втором случае наоборот, внизу горячая, а вверху холодная. И во втором случае молекулы горячей вода начинают стремиться вверх, а молекулы холодной - вниз (рис 41-44).

Заключение

В ходе данной исследовательской работы можно сделать вывод о том, что диффузия играет огромную роль в жизни человека и животных.

В ходе данной исследовательской работы можно сделать вывод о том, что продолжительность диффузии зависит от температуры: чем выше температура, тем быстрее протекает диффузия.

Я изучила явление диффузии на примере различных веществ.

Скорость протекания зависит от рода вещества: в газах она протекает быстрее, чем в жидкостях; в твердых телах диффузия протекает значительно медленнее.Это утверждение можно объяснить так: молекулы газов свободны, находятся на расстояниях много больше размеров молекул, двигаются с большими скоростями. Молекулы жидкостей расположены также беспорядочно, как и в газах, но значительно плотнее. Каждая молекула, находясь в окружении соседних молекул, медленно перемещается внутри жидкости. Молекулы твердых веществ совершают колебания около положения равновесия.

Существует тепловая диффузия.

Список используемой литературы

Генденштейн, Л.Э. Физика. 7 класс. Часть 1 / Л.Э. Генденштейн, А.Б, Кайдалов. - М: Мнемозина, 2009.-255 с.;

Кириллова, И.Г. Книга для чтения по физике для учащихся 7 классов средней школы / И.Г. Кириллова.- М.,1986.-207 с.;

Ольгин, О. Опыты без взрывов / О. Ольгин.- М.: Химик, 1986.-192 с.;

Перышкин, А.В. Учебник по физике 7 класс / А.В. Перышкин.- М., 2010.-189 с.;

Разумовский, В.Г. Творческие задачи по физике / В.Г. Разумовский.- М.,1966.-159 с.;

Рыженков, А.П. Физика. Человек. Окружающая среда: Приложение к учебнику физики для 7-го класса общеобразовательных учреждений / А.П. Рыженков.- М.,1996.- 120 с.;

Чуянов, В.А. Энциклопедический словарь юного физика / В.А. Чуянов.- М., 1984.- 352 с.;

Шабловский, В. Занимательная физика / В. Шабловский. С.-П., Тригон, 1997.-416 с.

Приложение

рисунок 1

рисунок 2

рисунок 3

рисунок 4

рисунок 5

рисунок 6

рисунок 7

Частицы растворителя (синие) способны пересекать мембрану,

частицы растворённого вещества (красные) — нет.

рисунок 8

рисунок 9

рисунок 10

рисунок 11

рисунок 12

рисунок 13

рисунок 14

рисунок 15

рисунок 16

рисунок 17

рисунок 18

рисунок 19

рисунок 20

рисунок 21

рисунок 22

рисунок 23

рисунок 24

рисунок 25

рисунок 26

рисунок 27

рисунок 28

рисунок 29

рисунок 30

рисунок 31

рисунок 32

рисунок 33

рисунок 34

рисунок 35

рисунок 36

Видели ли вы когда-нибудь полчища мелких назойливых мошек, беспорядочно роящихся над головой? Иной раз кажется, что они как будто неподвижно висят в воздухе. С одной стороны этот рой неподвижен, с другой — насекомые внутри него безостановочно движутся то вправо, то влево, то вверх, то вниз, постоянно сталкиваясь друг с другом и разлетаясь вновь в пределах этого облака, как будто невидимая сила удерживает их вместе.

Движения молекул носят похожий хаотичный характер, при этом тело сохраняет стабильную форму. Такое движение называется тепловым движением молекул.

Броуновское движение

В далеком 1827 году известный британский ботаник Роберт Броун при помощи микроскопа изучал поведение микроскопических частиц цветочной пыльцы в воде. Он обратил внимание на то, что частички постоянно двигались в хаотичном, не поддающемся логическому объяснению порядке, и это беспорядочное движение не зависело ни от движения жидкости, в которой они находились, ни от ее испарения. Мельчайшие частички пыльцы описывали сложные, загадочные траектории. Интересно то, что интенсивность такого движения не снижается со временем и не связано с химическими свойствами среды, а только увеличивается, если уменьшается вязкость этой среды или размеры движущихся частиц. Кроме этого, большое влияние на скорость движения молекул оказывает температура: чем она выше, тем частицы движутся быстрее.

Диффузия

Давным-давно люди поняли, что все вещества на свете состоят из мельчайших частиц: ионов, атомов, молекул, и между ними имеются промежутки, и эти частицы постоянно и хаотично движутся.

Следствием теплового движения молекул является диффузия. Примеры мы можем наблюдать практически везде в повседневной жизни: и в быту, и в живой природе. Это распространение запахов, склеивание различных твердых предметов, перемешивание жидкостей.

Говоря научным языком, диффузия — это явление проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.

Газы и диффузия

Самый простой пример диффузии в газах — это довольно быстрое распространение в воздухе запахов (как приятных, так и не очень).

Диффузия в газах может быть крайне опасной, из-за этого явления молниеносно протекает отравление угарным и другими ядовитыми газами.

Если диффузия в газах происходит быстро, чаще всего за считанные секунды, то диффузия в жидкостях занимает целые минуты и иногда даже часы. Это зависит от плотности и температуры.

Одним из примеров является очень быстрое растворение солей, спиртов и кислот, за короткое время образующих однородные растворы.

Диффузия в твердых телах

В твердых телах диффузия протекает труднее всего, при обычной комнатной или уличной температуре она незаметна. Во всех современных и старых школьных учебниках в качестве примера описан опыт со свинцовой и золотой пластинками. Этот эксперимент показал, что только по прошествии более четырех лет в свинец проникло ничтожно малое количество золота, а свинец проник в золото на глубину не более пяти миллиметров. Такое различие обусловлено тем, что плотность свинца намного выше плотности золота.

Следовательно, скорость и интенсивность диффузии не в последнюю очередь зависит от плотности вещества и скорости хаотичного движения молекул, а скорость, в свою очередь — от температуры. Диффузия интенсивнее и быстрее протекает при более высоких температурах.

Примеры диффузии в быту

Мы даже не задумываемся о том, что ежедневно практически на каждом шагу встречаем явление диффузии. Именно поэтому это явление считается одним из самых значительных и интересных в физике.

Один из простейших примеров диффузии в быту — растворение сахара в чае или кофе. Если в стакан с кипятком поместить кусочек сахара, он через некоторое время исчезнет бесследно, при этом даже объем жидкости практически не изменится.

Если внимательно осмотреться вокруг, можно найти немало примеров диффузии, облегчающих наш быт:

• растворение стирального порошка, марганцовки, соли;
• распыление освежителей воздуха;
• аэрозоли для горла;
• вымывание грязи с поверхности белья;
• смешивание красок художником;
• замешивание теста;
• приготовление наваристых бульонов, супов, и подлив, сладких компотов и морсов.

В 1638 г., вернувшись из Монголии, посол Василий Старков преподнес русскому царю Михаилу Федоровичу в подарок почти 66 кг сушеных листьев, обладающих странным терпковатым ароматом. Это засушенное растение очень понравилось ни разу не пробовавшим его москвичам, и они его с удовольствием до сих пор употребляют. Узнали его? Конечно же, это чай, который заваривается благодаря явлению диффузии.

Примеры диффузии в окружающем мире

Роль диффузии в окружающем нас мире очень велика. Одним из важнейших примеров диффузии является кровообращение в живых организмах. Кислород из воздуха проникает в капилляры крови, расположенные в легких, после этого растворяется в них и разносится по всему организму. В свою очередь углекислый газ диффундирует из капилляров в альвеолы легких. Питательные вещества, выделяемые из пищи путем диффузии проникают в клетки.

У травянистых видов растений диффузия идет через всю их зеленую поверхность, у более крупных цветущих растений - через листья и стебли, у кустарников и деревьев — через трещины в коре стволов и веток и чечевички.

Кроме того, примером диффузии в окружающем мире является всасывание воды и растворенных в ней минералов корневой системой растений из почвы.

Именно диффузия является причиной того, что состав нижнего слоя атмосферы является неоднородным и состоит из нескольких газов.

К сожалению, в нашем несовершенном мире найдется совсем немного людей, которые не знают, что такое инъекция, также известная как "укол". Этот вид болезненного, но эффективного лечения также основан на явлении диффузии.

Загрязнение окружающей среды: почвы, воздуха, водоемов — это тоже примеры диффузии в природе.

Тающие в синем небе белые облака, так любимые поэтами всех времен — тоже она— известная каждому ученику средних и старших классов диффузия!

Итак, диффузия — это то, без чего жизнь наша была бы не просто труднее, а практически невозможной.

Определение 1

Диффузия тела (рассеивание) является процессом, способствующим взаимному проникновению молекул (атомов) одного вещества между такими же частицами другого. В конечном итоге это будет выражаться в самопроизвольном выравнивании их концентраций по всему занимаемому объёму.

Бывают примеры, когда у одного из веществ уже присутствует выровненная концентрация и подразумевается диффузия одного вещества в другом. При этом перенос вещества будет осуществляться из области с высокой концентрацией в область с более низкой (то есть, в противоположном от направления вектора градиента концентрации).

Примеры диффузии тел

Диффузия может быть применима к телам жидкого, твердого или газообразного типа. В качестве ярких примеров диффузии тел выступают:

• перемешивание газов (это может относиться, например, к распространению запахов);
• перемешивание жидкостей (при попадании капли чернил в воду она полностью окрасится в этот цвет);
• перемешивание на примере твердых тел (атомы соприкасающихся друг с другом металлов будут перемешиваться на границе соприкосновения).

Существенное значение диффузия частиц будет иметь в физике плазмы. Сама скорость протекания диффузии будет зависимой от множества факторов. В случае металлического стержня, например, тепловая диффузия осуществляется на очень большой скорости. При условии изготовления стержня из синтетического материала, будет фиксироваться медленная скорость диффузии.

Еще более медленно процесс диффузии наблюдается в отношении одного твердого вещества в другое. При условии, что медь покрыта золотом, например, мы наблюдаем диффузию золота в медь. В то же время, при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре уже фиксируется очень медленный по времени процесс достижения золотосодержащего слоя толщины в несколько микронов (через тысячи лет).

Еще одним примером диффузии тел может быть наложении свинцового слитка на золотой. В результате, за период в 5 лет под весом свинца, золотой слиток прогнется на один сантиметр, что свидетельствует о проникновении одного тела в другое.

Поверхностная диффузия тел

Замечание 1

Поверхностная диффузия тел считается процессом, связанным (как и при объемной диффузии) с перемещением самих частиц (кластеров, молекул или же атомов), который выполняется на поверхности конденсированных тел в пределах первого поверхностного атомного (молекулярного) слоя или поверх этого слоя.

Способностью перемещений, благодаря поверхностной диффузии, обладают:

• атомы, которые находятся в составе самого твёрдого тела;
• адсорбированные частицы в виде кластеров, молекул или атомов.

Как правило, подвижность поверхностных частиц активизируется, благодаря воздействию случайных тепловых флуктуаций (обычно это могут быть молекулы или атомы). При условии присутствия градиента концентрации (поверхностная концентрация) случайное блуждание большого количества частиц спровоцирует их усредненное диффузионное движение в противоположном градиенту направлении.

На процесс диффузии воздействие оказывают разные факторы:

• взаимодействие диффундирующих частиц;
• формирование поверхностных фаз (реконструкций);
• присутствие дефектов различного характера и др.

Поверхностная диффузия становится определяющей для процессов увеличения тонких плёнок, а также формирования наноструктур на поверхности спекания керамики.

Процесс диффузии в твердых телах

В условиях комнатной температуры, мы обычно не наблюдаем проявление диффузии в твердых телах. Очень тонкое по своей структуре покрытие одного металла другим будет сохраняться продолжительное время в практически неизменном состоянии.

При этом, если температура зафиксирована в несколько сот градусов, покрытия уже не будут сохраняться: диффузия провоцирует проникновение атомов покрытия вглубь подложки с заметной скоростью. Такое обстоятельство может применяться, например, в полупроводниковой технике с целью введения в полупроводник специальных легирующих примесей при условии температуры в несколько сотен градусов.

Механизм процессов диффузии в твердых телах лучше понимается при использовании информации об их кристаллической структуре. В состоянии равновесия атомы твердого тела осуществляют тепловые колебательные движения рядом с узлами кристаллической решетки. Все узлы такой решетки в идеальной структуре твердого тела оказываются совершенно равнозначными, а сам процесс диффузии становится невозможным. Наряду с тем, в реальном кристалле будет присутствовать (при заданной температуре) определенное число термических дефектов, проявляемых в виде нарушений кристаллической решетки.

В ситуации с повышением температуры кристалла, наблюдается возрастание равновесных концентраций вакансий, а также межузельных атомов, а в условии понижения температуры, начнет исчезать на стоках часть дефектов. Роль подобных стоков могут выполнять некоторые другие дефекты решетки, например, дислокации.

При таком дефекте структуры кристаллической решетки механизм диффузии в твердом теле становится понятным. Пусть в соседстве с расположенным в узле решетки атомом будет располагаться вакантный узел (дырка).

В таком случае колебательное движение атомов может спровоцировать перескакивание атома из узла решетки в вакантный узел на основании «вакансионного механизма диффузии». В отсутствие внешних сил процесс диффузии будет определяться неравновесной характеристикой образца (градиент температур, например). Каждой температуре при этом будет соответствовать определенное равновесное количество дырок:

$n_д = exp\left(\frac{-E_д}{kT}\right)$ где $E_д$ - энергия, требуемая для образования одной дырки.

При всех температурах, которые ниже точки плавления, равновесное количество дырок оказывается намного меньше, чем число в кристаллической решетке узлов, т.е.

$\frac{n_д}{N} = 1$

Рассмотрим случай воздействия на кристалл внешней силы (т.е. ионный кристалл в электрическом поле. Связь ионной электропроводности и коэффициента диффузии будет определять соотношение Эйнштейна:

$D = f\frac{\sigma kT}{Nq^2}$, где:

• $f$ - поправочный множитель;
• $N$ -концентрация ионов.

Вышеуказанное соотношение понимается таким образом: при наложении электрического поля, а также присутствия градиента концентрации ионов в кристалле возникнет ток плотности:

$\sigma = {qN(x)B_и}$, где:

• $\sigma$ - удельная электропроводность;
• $B_и$ - подвижность ионов.

При условии статистического равновесия полный ток равнозначен нулю.

$E = \frac{-dU}{dx}$

где $U$ - потенциал электрического поля, при равновесии

${-qN(x)B_и}\frac{dU}{dx} = {qD}\frac{dN}{dx}$

Таким образом,

$D = {B_и}\frac{kT}{q} = \frac{\sigma kT}{Nq^2}$

При этом в ионных кристаллах наблюдается отступление от простого соотношения коэффициента диффузии и удельной электропроводности. Именно по этой причине в соотношении будет содержаться поправочный множитель $f$. Так, при диффузии путем замещения вакансий коэффициент диффузии меченого атома будет зависимым от корреляции его скачков.

Диффузия переводится с латыни, как распространение или взаимодействие. Диффузия является очень важным понятием физики. Суть диффузии заключается в проникновении одних молекул вещества в другие. В процессе перемешивания происходит выравнивание концентраций обоих веществ по занимаемому ими объему. Вещество из места с большей концентрацией переходит в место с меньшей концентрацией, за счет этого и происходит выравнивание концентраций.

Итак, явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называется диффузией.

Рассмотрев, что такое диффузия, следует перейти к условиям, которые могут оказывать воздействие на скорость протекания этого явления.

Факторы, влияющие на скорость диффузии

Чтобы понять, от чего зависит диффузия, рассмотрим факторы, которые на нее влияют.

Диффузия зависит от температуры . Скорость диффузии будет увеличиваться с увеличением температуры, потому что при повышении температуры будет увеличиваться скорость движения молекул, то есть молекулы будут быстрее перемешиваться. (Вы все знаете, что в холодной воде сахар расстворяется очень долго)

А при добавлении внешнего воздействия (человек размешивает сахар в воде) диффузия будет протекать быстрее. Агрегатное состояние вещества тоже будет влиять на то, от чего зависит диффузия, а именно на скорость диффузии. Тепловая диффузия зависит от вида молекул. Например, если предмет металлический, то тепловая диффузия протекает быстрее, в отличие от того, если бы этот предмет был сделан из синтетического материала. Очень медленно протекает диффузия между твердыми материалами.

Итак скорость диффузии зависит от: температуры, концентрации, внешних воздействий, агрегатного состояния вещества

Диффузия имеет огромное значение в природе и в жизни человека.

Примеры диффузии

Чтобы лучше разобраться, что такое диффузия, рассмотрим ее на примерах.Давайте вместе приведем примеры процесса диффузии в газах. Варианты проявления этого явления могут быть таковыми:

Распространение запаха цветов;

Распространение запаха курочки гриль, которая так нравится щенку Антошке;

Слезы из-за нарезания лука;

Шлейф духов, который можно почувствовать в воздухе.

Промежутки между частицами в воздухе довольно большие, частицы двигаются хаотично, поэтому диффузия газообразных веществ происходит достаточно быстро.

Простой и доступный каждому пример диффузия твердых тел – это взять два куска разноцветного пластилина и разминая их в руках, наблюдать, как смешиваются цвета. А, соответственно, без внешнего воздействия, если просто прижать два куска друг к другу, потребуются месяцы или даже годы, чтобы два цвета хоть немного перемешались, так сказать, проникли один в одного.

Варианты проявления диффузия в жидкостях могут быть таковыми:

Растворение капли чернил в воде;

- "Белье полиняло" окрас мокрых тканей;

Соление овощей и варка варенья

Итак, диффузией является перемешивание молекул вещества при их беспорядочном тепловом движении .

О таком понятии, как диффузия, слышали абсолютно все люди. Это было одной из тем на уроках физики в 7 классе. Несмотря на то что это явление окружает нас абсолютно везде, мало кто знает о нём. Что же оно всё-таки означает? В чём заключается его физический смысл , и как можно облегчить жизнь с её помощью? Сегодня мы с вами об этом и поговорим.

Диффузия в физике: определение

Это - процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Говоря простым языком, этот процесс можно назвать смешиванием. Во время этого смешивания происходит взаимное проникновение молекул вещества друг между другом . Например, при приготовлении кофе молекулы растворимого кофе проникают в молекулы воды и наоборот.

Скорость этого физического процесса зависит от следующих факторов:

1. Температура.
2. Агрегатное состояние вещества.
3. Внешнее воздействие.

Чем выше температура вещества, тем быстрее движутся молекулы. Следовательно, процесс смешивания происходит быстрее при высоких температурах.

Агрегатное состояние вещества - важнейший фактор . В каждом агрегатном состоянии молекулы движутся с определённой скоростью.

Диффузия может протекать в следующих агрегатных состояниях:

1. Жидкость.
2. Твёрдое тело.

Скорее всего, у читателя сейчас возникнут следующие вопросы:

1. Каковы причины возникновения диффузии?
2. Где она протекает быстрее?
3. Как она применяется в реальной жизни?

Ответы на них можно узнать ниже.

Причины возникновения

Абсолютно у всего в этом мире есть своя причина. И диффузия не является исключением . Физики прекрасно понимают причины её возникновения. А как донести их до обычного человека?

Наверняка каждый слышал о том, что молекулы находятся в постоянном движении. Причём это движение является беспорядочным и хаотичным, а его скорость очень большая. Благодаря этому движению и постоянному столкновению молекул происходит их взаимное проникновение.

Есть ли какие-то доказательства этого движения? Конечно! Вспомните, как быстро вы начинали чувствовать запах духов или дезодоранта? А запах еды, которую готовит ваша мама на кухне? Вспомните, как быстро готовится чай или кофе . Всего этого не могло быть, если бы не движение молекул. Делаем вывод - основная причина диффузии заключается в постоянном движении молекул.

Теперь остаётся только один вопрос - чем же обусловлено это движение? Оно обусловлено стремлением к равновесию. То есть, в веществе есть области с высокой и низкой концентрацией этих частиц. И благодаря этому стремлению они постоянно движутся из области с высокой концентрацией в низкоконцентрированную. Они постоянно сталкиваются друг с другом , и происходит взаимное проникновение.

Диффузия в газах

Процесс смешивания частиц в газах самый быстрый. Он может происходить как между однородными газами, так и между газами с разной концентрацией.

Яркие примеры из жизни:

1. Вы чувствуете запах освежителя воздуха благодаря диффузии.
2. Вы чувствуете запах приготовленной пищи. Заметьте, его вы начинаете чувствовать сразу, а запах освежителя через несколько секунд. Это объясняется тем, что при высокой температуре скорость движения молекул больше.
3. Слезы, возникающие у вас при нарезании лука. Молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха, и ваши глаза на это реагируют.

Как протекает диффузия в жидкостях

Диффузия в жидкостях протекает медленнее. Она может длиться от нескольких минут до нескольких часов.

Самый яркие примеры из жизни:

1. Приготовление чая или кофе.
2. Смешивание воды и марганцовки.
3. Приготовление раствора соли или соды.

В этих случаях диффузия протекает очень быстро (до 10 минут). Однако если к процессу будет приложено внешнее воздействие, например, размешивание этих растворов ложкой, то процесс пойдёт гораздо быстрее и займёт не более одной минуты.

Диффузия при смешивании более густых жидкостей будет происходить гораздо дольше. Например, смешивание двух жидких металлов может занимать несколько часов. Конечно, можно сделать это за несколько минут, но в таком случае получится некачественный сплав .

Например, диффузия при смешивании майонеза и сметаны будет протекать очень долго. Однако, если прибегнуть к помощи внешнего воздействия, то этот процесс и минуты не займёт.

Диффузия в твёрдых телах: примеры

В твёрдых телах взаимное проникновение частиц протекает очень медленно. Этот процесс может занять несколько лет. Его длительность зависит от состава вещества и структуры его кристаллической решётки.

Опыты, доказывающие, что диффузия в твёрдых телах существует.

1. Слипание двух пластин разных металлов. Если держать эти две пластины плотно друг к другу и под прессом, в течение пяти лети между ними будет слой, имеющий ширину 1 миллиметр. В этом небольшом слое будут находиться молекулы обоих металлов. Эти две пластины будут слиты воедино.
2. На тонкий свинцовый цилиндр наносится очень тонкий слой золота. После чего эта конструкция помещается в печь на 10 дней. Температура воздуха в печи - 200 градусов Цельсия. После того как этот цилиндр разрезали на тонкие диски, было очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.

Примеры диффузии в окружающем мире

Как вы уже поняли, чем тверже среда, тем меньше скорость смешивания молекул. Теперь давайте поговорим о том, где в реальной жизни можно получить практическую пользу от этого физического явления.

Процесс диффузии происходит в нашей жизни постоянно. Даже когда мы лежим на кровати, очень тонкий слой нашей кожи остаётся на поверхности простыни. А также в неё впитывается пот. Именно из-за этого постель становится грязной, и её необходимо менять.

Так, проявление этого процесса в быту может быть следующим:

1. При намазывании масла на хлеб оно в него впитывается.
2. При засолке огурцов соль сначала диффундирует с водой, после чего солёная вода начинает диффундировать с огурцами. В результате чего мы получаем вкуснейшую закуску. Банки необходимо закатывать. Это нужно для того, чтобы вода не испарялась. А точнее, молекулы воды не должны диффундировать с молекулами воздуха.
3. При мытье посуды молекулы воды и чистящего средства проникают в молекулы оставшихся кусочков еды. Это помогает им отлипать от тарелки, и сделать её более чистой.

Проявление диффузии в природе:

1. Процесс оплодотворения происходит именно благодаря этому физическому явлению. Молекулы яйцеклетки и сперматозоида диффундируют, после чего появляется зародыш.
2. Удобрение почв. Благодаря использованию определённых химических средств или компоста почва становится более плодородной. Почему так происходит? Суть в том, что молекулы удобрения диффундируют с молекулами почвы. После чего процесс диффузии происходит между молекулами почвы и корня растения. Благодаря этому сезон будет более урожайным.
3. Смешивание производственных отходов с воздухом сильно загрязняет его. Из-за этого в радиусе километра воздух становится очень грязным. Его молекулы диффундируют с молекулами чистого воздуха из соседних районов. Именно так ухудшается экологическая обстановка в городе.

Проявление этого процесса в промышленности:

1. Силицирование - процесс диффузионного насыщения кремнием. Он проводится в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой детали имеет не очень высокую твёрдость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серной кислотах.
2. Диффузия в металлах при изготовлении сплавов играет большую роль. Для получения качественного сплава необходимо производить сплавы при высоких температурах и с внешним воздействием. Это значительно ускорит процесс диффузии.

Эти процессы происходят в различных областях промышленности:

1. Электронная.
2. Полупроводниковая.
3. Машиностроение.

Как вы поняли, процесс диффузии может оказывать на нашу жизнь как положительный, так и отрицательный эффект. Нужно уметь управлять своей жизнью и максимально использовать пользу от этого физического явления, а также минимизировать вред.

Теперь вы знаете, в чём сущность такого физического явления, как диффузия. Она заключается во взаимном проникновении частиц благодаря их движению. А в жизни движется абсолютно все. Если вы школьник, то после прочтения нашей статьи вы точно получите оценку 5. Успехов вам!