Вследствие ничтожно малых размеров молекул, их содержание в веществе составляет огромное количество. Движение молекул любого вещества носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха молекулы вещества много раз меняют направление своего движения. И беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате. Происходит самопроизвольное перемешивание веществ. Это процесс диффузии. Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называется .Диффузия может происходить в любых веществах: и в газах, и в жидкостях и в твердых телах. Наиболее быстро этот процесс произойдет в газах, потому что расстояние между молекулами достаточно большие, а силы притяжения между ними . В жидкостях диффузия произойдет медленнее, чем в газах. Это объясняется тем, что молекулы расположены гуще, и поэтому « » через них достаточно труднее. Медленнее всего диффузия протекает в твердых телах, объяснимо это плотным расположением молекул. Если гладко отшлифованные пластины и золота положить друг на друга и грузом, то через пять лет можно наблюдать диффузию глубиной в один миллиметр.Явление диффузии ускоряется с повышением температуры. Это происходит потому, что при повышении температуры вещества, его молекулы движутся быстрее. И взаимное перемешивание произойдет быстрее. Поэтому сахар растворяется быстрее горячем чае, нежели в холодном.Диффузия играет большую роль . Так, например, диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений. Для человека данное явление жизненно важно, например, благодаря диффузии кислород из легких проникает в кровь человека, а из крови – в ткани.
Видео по теме
Источники:
- диффузия печени
Диффузия (от лат. diffusio – распространение, рассеивание, растекание) – это явление, при котором наблюдается взаимное проникновение молекул разных веществ между собой, т.е. молекулы одного вещества проникают между молекулами другого, и наоборот.
Диффузия в повседневной жизни
Явление диффузии часто можно наблюдать в повседневной жизни человека. Так, если внести в комнату источник какого-либо запаха – например, кофе или духи – этот запах вскоре распространится по всему помещению. Рассеивание пахучих веществ происходит из-за постоянного движения молекул. На своем пути они сталкиваются с молекулами газов, входящих в состав воздуха, меняют направление и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате. Такое распространение запаха – доказательство хаотичного и непрерывного движения молекул.
Как доказать, что тела состоят из непрерывно движущихся молекул
Для доказательства того, что все тела состоят из молекул, находящихся в постоянном движении, можно проделать следующий физический опыт.
Налейте в скатан или мензурку темно-голубой раствор медного купороса. Сверху осторожно прилейте чистую воду. Вначале между жидкостями будет видна резкая граница, но через несколько дней она станет размытой. Через пару недель граница, воду от раствора медного купороса, исчезнет совсем, и в сосуде образуется однородная жидкость бледно-голубого оттенка. Это скажет вам о том, что жидкости перемешались.
Чтобы объяснить наблюдаемое явление, можно предположить, что молекулы медного купороса и воды, расположенные возле поверхности раздела, меняются местами. Граница между жидкостями становится расплывчатой, поскольку молекулы медного купороса перемещаются в нижний слой воды, а молекулы воды – в верхний слой синего раствора. Постепенно молекулы всех этих веществ путем беспорядочного и непрерывного движения распространяются по всему объему, делая жидкость однородной. Это явление и названо
Диффузия
Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы .
Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи , однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность , вязкое трение и т. п.
Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом , то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.
Количественно описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком (англ. ) в 1855 г.
Общее описание
Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций , температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность , в случае потока электрических зарядов - электропроводность . Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.
Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий , продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.
Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов . Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235 U от основной массы 238 U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.
Уравнения Фика
С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии . При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ , обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала
~В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C . Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал перестаёт быть связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то вышеприведённую формулу можно заменить на следующую:
которая показывает, что плотность потока вещества J пропорциональна коэффициенту диффузии D [()] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):
Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса .
Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера-Планка . Процессы диффузии имеют большое значение в природе:
- Питание, дыхание животных и растений;
- Проникновение кислорода из крови в ткани человека.
Геометрическое описание уравнения Фика
Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения концентрации во времени, а в правой части уравнения - вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение концентрации, в частности, выпуклость функции распределения температур, проецируемую на ось х.
См. также
- Поверхностная диффузия - процесс, связанный с перемещением частиц, происходящий на поверхности конденсированного тела в пределах первого поверхностного слоя атомов (молекул) или поверх этого слоя.
Примечания
Литература
- Бокштейн Б. С. Атомы блуждают по кристаллу. - М .: Наука, 1984. - 208 с. - (Библиотечка «Квант» . Вып. 28). - 150 000 экз.
Ссылки
- Диффузия (видеоурок, программа 7 класса)
- Диффузия примесных атомов на поверхности монокристалла
Wikimedia Foundation . 2010 .
Синонимы :Смотреть что такое "Диффузия" в других словарях:
- [лат. diffusio распространение, растекание] физ., хим. проникновение молекул одного вещества (газа, жидкости, твердого тела) в другое при их непосредственном соприкосновении или через пористую перегородку. Словарь иностранных слов. Комлев Н.Г.,… … Словарь иностранных слов русского языка
Диффузия - – проникновение в среду частиц одного вещества частиц другого вещества, происхо дящее вследствие теплового движения в направлении уменьшения концентрации другого вещества. [Блюм Э. Э. Словарь основных металловедческих терминов. Екатеринбург … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Современная энциклопедия
- (от лат. diffusio распространение растекание, рассеивание), движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения концентраций частиц данного сорта в среде. В отсутствие… … Большой Энциклопедический словарь
ДИФФУЗИЯ, перемещение вещества в смеси из область с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, вызванное случайным перемещением отдельных атомов или молекул. Диффузия прекращается, когда исчезает градиент концентрации. Скорость… … Научно-технический энциклопедический словарь
диффузия - и, ж. diffusion f., нем. Diffusion <лат. diffusio растекание, распространение. Взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения молекул и атомов. Диффузия газов, жидкостей. БАС 2. || перен. Они… … Исторический словарь галлицизмов русского языка
Диффузия - (от латинского diffusio распространение, растекание, рассеивание), движение частиц среды, приводящее к переносу вещества и выравниванию концентраций или установлению их равновесного распределения. Обычно диффузия определяется тепловым движением… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
Перемещение частиц в направлении убывания их концентрации, обусловленное тепловым движением. Д. приводит к выравниванию концентраций диффундирующего вещества и равномерному заполнению частицами объема.… … Геологическая энциклопедия
Введение
1. Понятие и закономерности протекания
диффузии
1.1 Понятие диффузионных
процессов ………………………………………..
5
1.2 Закономерности протекания диффузии
……………………………………6
2. Использование
диффузионных процессов
2.1 Диффузия
при обработке металлов …………………………………………8
2.2
Плазмолиз……………………………………………………………………
11
2.3 Осмос…………………………………………………………………………11
3.
Применение диффузии на
производстве…………………………………...
13
4. Применение диффузии в медицине.
Аппарат « искусственная почка»…..15
5.
Применение диффузии в
технике…………………………………………...16
Заключение
Список использованной литературы
Введение
Тема моей курсовой работы звучит так: «Диффузионные процессы и их использование в технологиях» .
Диффузия
– фундаментальное явление природы. Оно
лежит в основе превращений вещества и
энергии. Его проявления имеют место на
всех уровнях организации природных
систем на нашей планете, начиная с уровня
элементарных частиц, атомов и молекул,
и заканчивая геосферой. Оно широко
используется в технике, в повседневной
жизни.
Сущность диффузии –
движение частиц среды, приводящее к
переносу веществ и выравниванию
концентраций или к установлению
равновесного распределения частиц
данного вида в среде. Диффузия молекул
и атомов обусловленным их тепловым
движением. .
Процесс диффузии представляет
собой один из механизмов проявления
II закона термодинамики, согласно
которому любая система стремится перейти
в более равновесное состояние, то есть
устойчивое состояние, характеризующееся
возрастанием энтропии и минимума
энергии.
Диффузия является одним из
важнейших технологических процессов
при изготовлении любых видов электронных
приборов и микросхем.
Диффузия является фундаментальным процессом, лежащим в основе функционирования живых систем любого уровня организации, начиная с уровня элементарных частиц (электронная диффузия) и заканчивая биосферным уровнем (круговоротом веществ в биосфере).
Явление диффузии широко используется и на практике. В повседневной жизни – заварка чая, консервирование овощей, изготовление варений. В производстве – цементация (…стальных деталей, для повышения их твердости и жаростойкости) процессы алитирования и оксидирования.
Цель данной курсовой работы состоит в том чтобы ознакомиться с понятием диффузии и диффузионных процессов, проанализировать использование ее в производстве, техники, медицине. С учетом специфики данной темы и круга затронутых вопросов структура работы позволяет последовательно ответить в первой части на теоретические вопросы, а во второй узнать практическое использование диффузионных процессов.
1. Понятие и закономерности протекания диффузии
1.1 Понятие диффузионных процессов
Процесс проникновения частиц (молекул, атомов, ионов) одного вещества между частицами другого вещества вследствие хаотичного движения называется диффузией. Таким образом, диффузия – результат хаотичного движения всех частиц вещества, всякого механического воздействия.
Так как частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия. Диффузия – перенос вещества, обусловленный самопроизвольным выравниванием неоднородной концентрации атомов или молекул разного вида. Если в сосуд впустить порции различных газов, то через некоторое время все газы равномерно перемешиваются: число молекул каждого вида в единице объёма сосуда станет постоянным, концентрация выравнивается (рис.1)
Диффузия объясняется так. Сначала между двумя телами чётко видна граница раздела двух сред (рис.1а). Затем, вследствие своего движения отдельные частицы веществ, находящихся около границы, обмениваются местами. Граница между веществами расплывается (рис.1б). Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во всё более глубоких слоях. Граница раздела веществ становится ещё более расплывчатой. Благодаря непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит в конце концов к тому, что раствор в сосуде становится однородным (рис.1в).
Рис.1. Объяснение явления диффузии.
Диффузия крупных частиц, взвешенных в газе или жидкости (например, частиц Дыма или Суспензии), осуществляется благодаря их броуновскому движению. В дальнейшем, если специально не оговорено, имеется в виду молекулярная диффузия.
Диффузия играет важную роль в химической кинетике и технологии. При протекании химической реакции на поверхности катализатора или одного из реагирующих веществ (например, горении угля) диффузия может определять скорость подвода др. реагирующих веществ и отвода продуктов реакции, т. е. являться определяющим (лимитирующим) процессом. Для испарения и конденсации, растворения кристаллов и кристаллизации определяющей оказывается обычно диффузия. Процесс диффузии газов через пористые перегородки или в струю пара используется для изотопов разделения. Диффузия лежит в основе многочисленных технологических процессов - адсорбции, цементации и др.Широко применяются диффузионная сварка, диффузионная металлизация.
В жидких растворах диффузия молекул растворителя через полупроницаемые перегородки (мембраны) приводит к возникновению осмотического давления что используется в физико-химическом методе разделения веществ.
1.2 Закономерности протекания диффузии
Разница концентрации является движущей силой диффузии. Если концентрация всюду одинакова, диффузный перенос вещества отсутствует. Выравнивание концентрации в результате диффузии происходит только в отсутствие внешних сил. Если разница концентраций существует наряду с разницей температур, в электрическом поле или в условиях, когда существенна сила тяжести (при большой разнице высот), выравнивание концентрации необязательно. Примером может служить уменьшение плотности воздуха с высотой.
Обратимся к опыту. В двух стаканах налита вода, но в одном холодная, а в другом – горячая. Опустим одновременно в стаканы пакетики с чаем. Нетрудно заметить, что в горячей воде чай быстрее окрашивает воду, диффузия протекает быстрее. Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.
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. Неупорядоченность движения приводит к тому, что каждая частица постепенно удаляется от места, где она находилась, причём её смещение по прямой гораздо меньше пути, пройденного по ломаной линии. Поэтому диффузионное проникновение значительно медленнее свободного движения (скорость диффузионного распространения запахов, например, много меньше скорости молекул). В жидкостях, в соответствии с характером теплового движения молекул, диффузия осуществляется перескоками молекул из одного временного положения равновесия в другое. Каждый скачок происходит при сообщении молекуле энергии, достаточной для разрыва её связей с соседними молекулами и перехода в окружение др. молекул (в новое энергетически выгодное положение). В среднем скачок не превышает межмолекулярного расстояния. Диффузионное движение частиц в жидкости можно рассматривать как движение с трением. Коэффициент диффузии в жидкости увеличивается с температурой, что обусловлено «разрыхлением» структуры жидкости при нагреве и соответствующим увеличением числа перескоков в единицу времени.
В твёрдом теле могут действовать несколько механизмов обмен местами атомов с вакансиями (незанятыми узлами кристаллической решётки), перемещение атомов по междоузлиям, одновременное циклическое перемещение нескольких атомов, прямой обмен местами двух соседних атомов и т.д. Первый механизм преобладает, например, при образовании твёрдых растворов замещения, второй - твёрдых растворов внедрения. Увеличение числа дефектов (главном образом вакансий) облегчает перемещение атомов в твёрдом теле, диффузия и приводит к росту коэффициента диффузии. Для коэффициента, диффузии в твёрдых телах характерна резкая (экспоненциальная) зависимость от температуры. Так, коэффициент, диффузии цинка в медь при повышении температуры от 20 до 300°С возрастает в 1014 раз.
Все экспериментальные методы определения коэффициента диффузии содержат два основных момента: приведение в контакт диффундирующих веществ и анализ состава веществ, изменённого диффузии. Состав (концентрацию продиффундировавшего вещества) определяют химически, оптически (по изменению показателя преломления или поглощения света), масс-спектроскопически, методом меченых атомов и др.
2.Использование диффузионных процессов
2.1 Диффузия при обработке металлов
Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насыщения поверхности изделий металлами или металлоидами. Диффузионное насыщение проводят в порошкообразной смеси, газовой среде или расплавленном металле (если металл имеет низкую температуру плавления).
Борирование – диффузионное насыщение поверхности металлов и сплавов бором для повышения твердости, коррозионной стойкости, износостойкости проводят путем электролиза в расплавленной соли бора. Борирование обеспечивает особенно высокую твердость поверхности, сопротивление износу, повышает коррозионную стойкость и теплостойкость. Борированные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в водных растворах соляной, серной и фосфорной кислот. Борирование применяют для чугунных и стальных деталей, работающих в условиях трения в агрессивной среде (в химическом машиностроении).
Алитирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюминием, проводят в порошкообразных смесях алюминия или в расплавленном алюминии. Цель – получение высокой жаростойкости поверхности стальных деталей. Алитирование проводят в твердых и жидких средах.
Силицирование – диффузионное насыщение кремнием проводят в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой стальной детали имеет не очень высокую твердость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серной кислотах. Силицированные детали применяют в химической, целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленности. Для повышения жаростойкости силицирование применяют для изделий из сплавов на основе молибдена и вольфрама, обладающих высокой жаропрочностью.
Процессы диффузии в металлах играют значительную роль. Если два металла приводятся в тесное соприкосновение лучом наплавления или спрессовывания порошка одного металла с другим и подвергаются действию достаточно высоких температур, то каждый из этих двух металлов диффундирует в другой. Если один из металлов жидкий, то он одновременно диффундирует в твердый и растворяет его.
Если мы исходим при этом из чистых металлов, то в промежуточном слое образуется целая гамма фаз обоих металлов, обычно отдельно от смеси пограничных фаз. Перепад концентраций в отдельных слоях очень различен; скорость диффузии, следовательно, сильно зависит от структуры решетки. В случае непрерывного ряда твердых растворов скорость диффузии равным образом зависит от состава основной массы; так, диффузия меди в никель с высокой точкой плавления происходит намного медленнее, чем диффузия никеля в медь. В один и тот же металл другие металлы диффундируют, как показали опыты Гевеза и Септса со свинцом, с тем большей скоростью, чем далее отстоят они в своих группах в периодической системе друг от друга (чем далее они по своей валентности). Применяя радиоактивный изотоп свинца, можно установить также, что однородные атомы особенно медленно обмениваются местами. Факт этой автодиффузии наглядно свидетельствует о движении металлических атомов при высоких температурах, на котором основаны также кристаллизация и рост кристаллов.
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
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
Диффузия - это (дословно) рассеивание, растекание, распространение. Физически характеризует процесс переноса энергии или материи из высококонцентрированной области в область с пониженной концентрацией. Наиболее распространенное явление, с которым связана диффузия - это перемешивание молекул газов (например, когда аромат духов распространяется в воздухе) или жидкостей. Этот же процесс можно наблюдать и в твердых телах. Например, если конец стержня зарядить электрически или нагреть, то тепло (или заряд) постепенно будет распространяться от горячего участка к холодному. При этом если взять металлический предмет, то тепло будет распространяться достаточно быстро, а электрический ток - мгновенно. Если же стержень из синтетического материала, то тепловое распространение будет протекать медленно, а электрическое - еще медленнее. Диффузия твердых тел происходит с еще более низкой скоростью.
Следует отметить, что этот термин (как и многие другие) применяется сегодня не только в физике.
Существует, например, такое понятие, как диффузия инноваций. Это такой процесс, при помощи которого во времени осуществляется передача нововведения хозяйствующим субъектам по коммуникационным каналам. В этом случае диффузия - это информационное распространение, скорость и форма которого зависят от используемых Большое значение имеют и особенности восприятия информации субъектами, ведущими хозяйственную деятельность, а также их способность к практическому применению полученных сведений. При диффузии инновации, уже освоенной однажды и примененной в другой местности, в новых местах и условиях возрастает количество потребителей и производителей. Непрерывность процесса формирует границы и формы распространения нововведений в рыночной экономике.
Эксперты отмечают, что в условиях ведения хозяйственной деятельности диффузия имеет характер циклический. При этом осуществление всего процесса внедрения, распространения нововведений разделен на определенные стадии: фундаментальное и прикладное исследование, разработка и проектирование, строительство, освоение, а также промышленное производство, маркетинг и сбыт.
Культурная диффузия - это понятие, которое используется в социальной сфере. Характеризует процесс взаимного проникновения некоторых черт из одной социальной группы в другую при их соприкосновении. При этом диффузия может и не оставить никакого отпечатка ни на одной из взаимодействующих культур. Может, однако, случиться и так, что это проникновение спровоцирует сильное и равное (или одностороннее) влияние. Каналы, по которым проходит диффузия, - это главным образом туризм, война, торговля, научные конференции, ярмарки и выставки, обмен специалистами и студентами.
Распространение нововведений в социальной сфере может осуществляться по двум направлениям: горизонтально или вертикально.
Горизонтальное проникновение (межгрупповая диффузия) отмечается между индивидами, группами, равными по статусу.
Вертикальное распространение происходит между субъектами, обладающими неравным статусом. Этот процесс называют стратификационной диффузией.
Характеризуется ярко выраженной символической поляризацией населения. По мнению ряда культурологов, примером образа жизни и стиля сегодня (как для высшего, так и для низшего класса) считается средний класс.
Приносит в общество как позитивные, так и негативные черты. Так, распространение высоких представлений о жизни в средние и (в особенности) низшие слои означает, с одной стороны, просвещение и демократизацию народа. С другой же стороны, высокая культура в этом случае может быть воспринята примитивно и пошло.