En raison de la taille négligeable des molécules, leur contenu dans la substance est énorme. Le mouvement des molécules de toute substance est continu et aléatoire. En entrant en collision avec les molécules de gaz qui composent l'air, les molécules de la substance changent plusieurs fois la direction de leur mouvement. Et se déplaçant au hasard, ils se dispersent dans toute la pièce. Un mélange spontané de substances se produit. Il s’agit d’un processus de diffusion. Le phénomène dans lequel se produit la pénétration mutuelle des molécules d'une substance entre les molécules d'une autre est appelé diffusion. Il peut se produire dans n'importe quelle substance : dans les gaz, dans les liquides et dans les solides. Ce processus se produira plus rapidement dans les gaz, car la distance entre les molécules est assez grande et les forces d'attraction entre elles le sont également. La diffusion se produit plus lentement dans les liquides que dans les gaz. Cela s'explique par le fait que les molécules sont plus denses et qu'il est donc plus difficile de les « » traverser. La diffusion se produit plus lentement dans les solides, ce qui peut s'expliquer par la disposition dense des molécules. Si des plaques et de l'or polis sont placés les uns sur les autres et chargés, après cinq ans, on peut observer une diffusion sur une profondeur d'un millimètre. Le phénomène de diffusion s'accélère avec l'augmentation de la température. Cela se produit car à mesure que la température d’une substance augmente, ses molécules se déplacent plus rapidement. Et le mélange mutuel se produira plus rapidement. Par conséquent, le sucre se dissout plus rapidement dans le thé chaud que dans le thé froid. La diffusion joue un rôle important. Par exemple, la diffusion de solutions de divers sels dans le sol contribue à la nutrition normale des plantes. Pour l'homme, ce phénomène est d'une importance vitale, par exemple, grâce à la diffusion, l'oxygène pénètre des poumons dans le sang humain et du sang dans les tissus.

Vidéo sur le sujet

Sources:

• diffusion hépatique

La diffusion (du latin diffusio - distribution, dispersion, propagation) est un phénomène dans lequel on observe une pénétration mutuelle de molécules de substances différentes entre elles, c'est-à-dire les molécules d'une substance pénètrent entre les molécules d'une autre, et vice versa.

La diffusion au quotidien

Le phénomène de diffusion est souvent observé dans la vie quotidienne des humains. Ainsi, si vous apportez une source d'odeur dans la pièce - par exemple du café ou du parfum - cette odeur se propagera bientôt dans toute la pièce. La dispersion des substances odorantes est due au mouvement constant des molécules. Sur leur chemin, ils entrent en collision avec les molécules de gaz qui composent l'air, changent de direction et, se déplaçant de manière aléatoire, se dispersent dans la pièce. Cette propagation des odeurs témoigne du mouvement chaotique et continu des molécules.

Comment prouver que les corps sont constitués de molécules en mouvement continu

Pour prouver que tous les corps sont constitués de molécules en mouvement constant, l’expérience physique suivante peut être réalisée.

Versez une solution bleu foncé de sulfate de cuivre dans un rouleau ou un bécher. Versez délicatement de l’eau propre dessus. Au début, une frontière nette sera visible entre les liquides, mais après quelques jours, elle deviendra floue. Après quelques semaines, la limite, l'eau de la solution de sulfate de cuivre, disparaîtra complètement et un liquide homogène de teinte bleu pâle se formera dans le récipient. Cela vous dira que les liquides se sont mélangés.

Pour expliquer le phénomène observé, on peut supposer que les molécules de sulfate de cuivre et d'eau situées à proximité de l'interface changent de place. La frontière entre les liquides devient floue à mesure que les molécules de sulfate de cuivre se déplacent dans la couche inférieure de l'eau et que les molécules d'eau se déplacent dans la couche supérieure de la solution bleue. Progressivement, les molécules de toutes ces substances, par un mouvement aléatoire et continu, se répartissent dans tout le volume, rendant le liquide homogène. Ce phénomène est appelé

La diffusion

Un exemple de diffusion est le mélange de gaz (par exemple, propagation d'odeurs) ou de liquides (si de l'encre tombe dans l'eau, le liquide deviendra uniformément coloré après un certain temps). Un autre exemple est associé à un solide : les atomes des métaux en contact se mélangent à la frontière de contact. La diffusion des particules joue un rôle important en physique des plasmas.

Habituellement, par diffusion, on entend des processus accompagnés d'un transfert de matière, mais parfois d'autres processus de transfert sont également appelés diffusion : conductivité thermique, frottement visqueux, etc.

Le taux de diffusion dépend de nombreux facteurs. Ainsi, dans le cas d'une tige métallique, la diffusion thermique se produit très rapidement. Si la tige est en matière synthétique, la diffusion thermique se produit lentement. La diffusion des molécules dans le cas général se déroule encore plus lentement. Par exemple, si un morceau de sucre est placé au fond d’un verre d’eau et que l’eau n’est pas agitée, il faudra plusieurs semaines avant que la solution devienne homogène. La diffusion d'une substance solide dans une autre se produit encore plus lentement. Par exemple, si le cuivre est recouvert d’or, alors une diffusion de l’or dans le cuivre se produira, mais dans des conditions normales (température ambiante et pression atmosphérique), la couche aurifère n’atteindra une épaisseur de plusieurs microns qu’après plusieurs milliers d’années.

Une description quantitative des processus de diffusion a été donnée par le physiologiste allemand A. Fick ( Anglais) en 1855

description générale

Tous les types de diffusion obéissent aux mêmes lois. Le taux de diffusion est proportionnel à la section transversale de l'échantillon, ainsi qu'à la différence de concentrations, de températures ou de charges (dans le cas de valeurs relativement faibles de ces paramètres). Ainsi, la chaleur se propagera quatre fois plus rapidement à travers une tige d'un diamètre de deux centimètres qu'à travers une tige d'un centimètre de diamètre. Cette chaleur se propagera plus rapidement si la différence de température sur un centimètre est de 10°C au lieu de 5°C. Le taux de diffusion est également proportionnel au paramètre caractérisant un matériau particulier. Dans le cas de la diffusion thermique, ce paramètre est appelé conductivité thermique, dans le cas du flux de charges électriques - conductivité électrique. La quantité de substance qui diffuse pendant un temps donné et la distance parcourue par la substance diffusante sont proportionnelles à la racine carrée du temps de diffusion.

La diffusion est un processus au niveau moléculaire et est déterminée par la nature aléatoire du mouvement des molécules individuelles. Le taux de diffusion est donc proportionnel à la vitesse moyenne des molécules. Dans le cas des gaz, la vitesse moyenne des petites molécules est plus grande, c'est-à-dire qu'elle est inversement proportionnelle à la racine carrée de la masse de la molécule et augmente avec l'augmentation de la température. Les procédés de diffusion dans des solides à haute température trouvent souvent des applications pratiques. Par exemple, certains types de tubes cathodiques (CRT) utilisent du thorium métallique diffusé à travers du tungstène métallique à 2 000 °C.

Si dans un mélange de gaz la masse d'une molécule est quatre fois supérieure à celle d'une autre, alors une telle molécule se déplace deux fois plus lentement que son mouvement dans un gaz pur. En conséquence, son taux de diffusion est également plus faible. Cette différence dans le taux de diffusion des molécules légères et lourdes est utilisée pour séparer des substances de poids moléculaires différents. Un exemple est la séparation isotopique. Si un gaz contenant deux isotopes traverse une membrane poreuse, les isotopes les plus légers traversent la membrane plus rapidement que les plus lourds. Pour une meilleure séparation, le procédé se déroule en plusieurs étapes. Ce procédé a été largement utilisé pour séparer les isotopes de l'uranium (séparation du 235 U du 238 U en vrac). Cette méthode de séparation nécessitant beaucoup d’énergie, d’autres méthodes de séparation plus économiques ont été développées. Par exemple, l’utilisation de la diffusion thermique en milieu gazeux est largement développée. Un gaz contenant un mélange d'isotopes est placé dans une chambre dans laquelle une différence spatiale de température (gradient) est maintenue. Dans ce cas, les isotopes lourds se concentrent au fil du temps dans la région froide.

Les équations de Fick

Du point de vue de la thermodynamique, le potentiel moteur de tout processus de nivellement est une augmentation de l’entropie. À pression et température constantes, le rôle d'un tel potentiel est le potentiel chimique µ , qui détermine le maintien des flux de matière. Le flux de particules de matière est proportionnel au gradient de potentiel

~

Dans la plupart des cas pratiques, la concentration est utilisée à la place du potentiel chimique C. Remplacement direct µ sur C devient incorrecte en cas de concentrations élevées, puisque le potentiel chimique n'est plus lié à la concentration selon la loi logarithmique. Si nous ne considérons pas de tels cas, alors la formule ci-dessus peut être remplacée par la suivante :

ce qui montre que la densité de flux de la substance J. proportionnel au coefficient de diffusion D[()] et gradient de concentration. Cette équation exprime la première loi de Fick. La deuxième loi de Fick relie les changements spatiaux et temporels de concentration (équation de diffusion) :

Coefficient de diffusion D dépend de la température. Dans un certain nombre de cas, sur une large plage de températures, cette dépendance est l'équation d'Arrhenius.

Un champ supplémentaire appliqué parallèlement au gradient de potentiel chimique perturbe l'état stationnaire. Dans ce cas, les processus de diffusion sont décrits par l'équation non linéaire de Fokker-Planck. Les processus de diffusion sont d'une grande importance dans la nature :

• Nutrition, respiration des animaux et des plantes ;
• Pénétration de l'oxygène du sang dans les tissus humains.

Description géométrique de l'équation de Fick

Dans la deuxième équation de Fick, à gauche se trouve le taux de changement de concentration dans le temps, et à droite de l'équation se trouve la deuxième dérivée partielle, qui exprime la distribution spatiale de la concentration, en particulier la convexité de la température. fonction de distribution projetée sur l’axe des x.

voir également

• La diffusion de surface est un processus associé au mouvement de particules se produisant à la surface d'un corps condensé au sein de la première couche superficielle d'atomes (molécules) ou au-dessus de cette couche.

Remarques

Littérature

• Bokstein B.S. Les atomes errent autour du cristal. - M. : Nauka, 1984. - 208 p. - (Bibliothèque "Quantum". Numéro 28). - 150 000 exemplaires.

Liens

• Diffusion (cours vidéo, programme de 7e)
• Diffusion d'atomes d'impuretés à la surface d'un monocristal

Fondation Wikimédia. 2010.

Synonymes:

Voyez ce qu'est « Diffusion » dans d'autres dictionnaires :

- [lat. diffusion diffusion, épandage] physique, chimique. pénétration de molécules d'une substance (gaz, liquide, solide) dans une autre par contact direct ou à travers une cloison poreuse. Dictionnaire de mots étrangers. Komlev N.G.,... ... Dictionnaire des mots étrangers de la langue russe

La diffusion- – pénétration dans l'environnement de particules d'une substance par des particules d'une autre substance, résultant d'un mouvement thermique dans le sens d'une diminution de la concentration d'une autre substance. [Blum E.E. Dictionnaire des termes métallurgiques de base. Ekaterinbourg… Encyclopédie des termes, définitions et explications des matériaux de construction

Encyclopédie moderne

- (du latin diffusio, épandage, dispersion), mouvement des particules d'un milieu, conduisant au transfert d'une substance et à l'égalisation des concentrations ou à l'établissement d'une répartition à l'équilibre des concentrations de particules d'un type donné dans le milieu. En l'absence de… … Grand dictionnaire encyclopédique

DIFFUSION, mouvement d'une substance dans un mélange d'une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration, provoqué par le mouvement aléatoire d'atomes ou de molécules individuels. La diffusion s'arrête lorsque le gradient de concentration disparaît. Vitesse… … Dictionnaire encyclopédique scientifique et technique

la diffusion- et, f. diffusion f., allemand Lat. de diffusion. diffusion diffusion, diffusion. Pénétration mutuelle des substances en contact les unes dans les autres en raison du mouvement thermique des molécules et des atomes. Diffusion de gaz et de liquides. BAS 2. || trans. Ils… … Dictionnaire historique des gallicismes de la langue russe

La diffusion- (du latin diffusio distribution, étalement, dispersion), le mouvement des particules du milieu, conduisant au transfert de matière et à l'égalisation des concentrations ou à l'établissement de leur répartition d'équilibre. Généralement, la diffusion est déterminée par le mouvement thermique... ... Dictionnaire encyclopédique illustré

Mouvement des particules vers une diminution de leur concentration, provoqué par le mouvement thermique. D. conduit à l'égalisation des concentrations de la substance diffusante et au remplissage uniforme du volume avec des particules.... ... Encyclopédie géologique

Introduction
1. Concept et modèles de diffusion
1.1 La notion de processus de diffusion……………………………………………………….. 5
1.2 Modèles de diffusion……………………………………6
2. Utilisation de procédés de diffusion
2.1 Diffusion dans la transformation des métaux ……………………………………………………8
2.2 Plasmolyse…………………………………………………………………… 11
2.3 Osmose…………………………………………………………………………………11
3. Application de la diffusion en production…………………... 13
4. Application de la diffusion en médecine. Appareil « rein artificiel »…..15
5. Application de la diffusion à la technologie…………………………………………...16
Conclusion
Liste de la littérature utilisée

Introduction

Le sujet de mon travail de cours est : « Les procédés de diffusion et leur utilisation en technologie ».

La diffusion est un phénomène fondamental de la nature. Il est à l'origine des transformations de la matière et de l'énergie. Ses manifestations ont lieu à tous les niveaux d'organisation des systèmes naturels de notre planète, depuis le niveau des particules élémentaires, des atomes et des molécules, jusqu'à la géosphère. Il est largement utilisé dans la technologie et dans la vie quotidienne.
L'essence de la diffusion est le mouvement des particules d'un milieu, conduisant au transfert de substances et à l'égalisation des concentrations ou à l'établissement d'une répartition d'équilibre de particules d'un type donné dans le milieu. Diffusion de molécules et d'atomes due à leur mouvement thermique. .
Le processus de diffusion est l'un des mécanismes de manifestation de la deuxième loi de la thermodynamique, selon laquelle tout système tend à se déplacer vers un état plus équilibré, c'est-à-dire un état stable caractérisé par une augmentation de l'entropie et un minimum d'énergie.
La diffusion est l'un des processus technologiques les plus importants dans la fabrication de tout type d'appareils électroniques et de microcircuits.

La diffusion est un processus fondamental qui sous-tend le fonctionnement des systèmes vivants à tout niveau d'organisation, depuis le niveau des particules élémentaires (diffusion électronique) jusqu'au niveau de la biosphère (la circulation des substances dans la biosphère).

Le phénomène de diffusion est largement utilisé dans la pratique. Dans la vie de tous les jours - préparer du thé, mettre des légumes en conserve, faire des confitures. En production - carburation (...de pièces en acier, pour augmenter leur dureté et leur résistance à la chaleur), processus d'aluminisation et d'oxydation.

L'objectif de ce cours est de se familiariser avec le concept de diffusion et de processus de diffusion, d'analyser son utilisation dans la production, la technologie et la médecine. Compte tenu des spécificités de ce sujet et de l'éventail des problématiques soulevées, la structure du travail permet de répondre de manière cohérente aux questions théoriques dans la première partie, et dans la seconde d'apprendre l'utilisation pratique des processus de diffusion.

1. Concept et modèles de diffusion

1.1 Notion de processus de diffusion

Le processus de pénétration de particules (molécules, atomes, ions) d'une substance entre les particules d'une autre substance en raison d'un mouvement chaotique est appelé diffusion. Ainsi, la diffusion est le résultat du mouvement chaotique de toutes les particules d'une substance, de toute action mécanique.

Puisque les particules se déplacent dans les gaz, les liquides et les solides, la diffusion est possible dans ces substances. La diffusion est le transfert de matière provoqué par l'égalisation spontanée d'une concentration non uniforme d'atomes ou de molécules de types différents. Si des portions de gaz différents sont introduites dans un récipient, après un certain temps, tous les gaz sont uniformément mélangés : le nombre de molécules de chaque type par unité de volume du récipient deviendra constant, la concentration se stabilisera (Fig. 1).

La diffusion s'explique comme suit. Premièrement, l'interface entre les deux médias est clairement visible entre les deux corps (Fig. 1a). Ensuite, en raison de leur mouvement, les particules individuelles de substances situées à proximité de la frontière échangent des places. La frontière entre les substances s'estompe (Fig. 1b). Après avoir pénétré entre les particules d'une autre substance, les particules de la première commencent à échanger leur place avec les particules de la seconde, situées dans des couches de plus en plus profondes. L’interface entre les substances devient encore plus floue. En raison du mouvement continu et aléatoire des particules, ce processus conduit finalement à ce que la solution dans le récipient devienne homogène (Fig. 1c).

Fig. 1. Explication du phénomène de diffusion.

La diffusion de grosses particules en suspension dans un gaz ou un liquide (par exemple, des particules de fumée ou de suspension) se produit en raison de leur mouvement brownien. Dans ce qui suit, sauf indication contraire, on entend la diffusion moléculaire.

La diffusion joue un rôle important dans la cinétique chimique et la technologie. Lorsqu'une réaction chimique se produit à la surface d'un catalyseur ou de l'un des réactifs (par exemple, combustion du charbon), la diffusion peut déterminer le taux d'apport d'autres réactifs et l'élimination des produits de réaction, c'est-à-dire être le processus déterminant (limitant). Pour l'évaporation et la condensation, la dissolution des cristaux et la cristallisation, la diffusion est généralement décisive. Le processus de diffusion des gaz à travers des cloisons poreuses ou dans un flux de vapeur est utilisé pour la séparation isotopique. La diffusion est à la base de nombreux procédés technologiques - adsorption, carburation, etc. Le soudage par diffusion et la métallisation par diffusion sont largement utilisés.

Dans les solutions liquides, la diffusion de molécules de solvant à travers des cloisons semi-perméables (membranes) conduit à l'apparition d'une pression osmotique, utilisée dans la méthode physico-chimique de séparation des substances.

1.2 Modèles de diffusion

La différence de concentration est le moteur de la diffusion. Si la concentration est la même partout, il n’y a pas de transfert diffus de la substance. L'égalisation de la concentration résultant de la diffusion ne se produit qu'en l'absence de forces extérieures. Si une différence de concentration existe avec une différence de température, dans un champ électrique ou dans des conditions où la gravité est importante (avec une grande différence d'altitude), l'égalisation des concentrations n'est pas nécessaire. Un exemple est la diminution de la densité de l’air avec l’altitude.

Passons à l'expérience. Il y a de l'eau dans deux verres, mais l'un est froid et l'autre chaud. Placez les sachets de thé dans les verres en même temps. Il est facile de constater que dans l’eau chaude, le thé colore l’eau plus rapidement et la diffusion se fait plus rapidement. Le taux de diffusion augmente avec l’augmentation de la température, à mesure que les molécules des corps en interaction commencent à se déplacer plus rapidement.

La diffusion se produit plus rapidement dans les gaz, plus lentement dans les liquides et encore plus lentement dans les solides, en raison de la nature du mouvement thermique des particules dans ces milieux. La trajectoire de chaque particule de gaz est une ligne brisée, car Lors de collisions, les particules changent la direction et la vitesse de leur mouvement. Le désordre du mouvement conduit au fait que chaque particule s'éloigne progressivement de l'endroit où elle se trouvait, et son déplacement le long d'une ligne droite est bien inférieur au chemin parcouru le long d'une ligne brisée. La pénétration par diffusion est donc bien plus lente que le libre mouvement (la vitesse de diffusion des odeurs, par exemple, est bien inférieure à la vitesse des molécules). Dans les liquides, selon la nature du mouvement thermique des molécules, la diffusion s'effectue par sauts de molécules d'une position d'équilibre temporaire à une autre. Chaque saut se produit lorsque la molécule reçoit une énergie suffisante pour rompre ses liaisons avec les molécules voisines et se déplacer dans l'environnement d'autres molécules (vers une nouvelle position énergétiquement favorable). En moyenne, le saut ne dépasse pas la distance intermoléculaire. Le mouvement de diffusion des particules dans un liquide peut être considéré comme un mouvement avec friction. Le coefficient de diffusion dans un liquide augmente avec la température, ce qui est dû au « desserrage » de la structure du liquide lorsqu'il est chauffé et à une augmentation correspondante du nombre de sauts par unité de temps.

Plusieurs mécanismes peuvent opérer dans un solide : échange de places d'atomes avec des lacunes (sites inoccupés du réseau cristallin), mouvement d'atomes le long d'interstices, mouvement cyclique simultané de plusieurs atomes, échange direct de places de deux atomes voisins, etc. Le premier mécanisme prédomine, par exemple, dans la formation de solutions solides de substitution, le second, dans la formation de solutions solides interstitielles. Une augmentation du nombre de défauts (principalement des lacunes) facilite le mouvement des atomes dans un solide, la diffusion et entraîne une augmentation du coefficient de diffusion. Le coefficient de diffusion dans les solides est caractérisé par une forte dépendance (exponentielle) à la température. Ainsi, le coefficient de diffusion du zinc dans le cuivre augmente de 1014 fois lorsque la température passe de 20 à 300°C.

Toutes les méthodes expérimentales de détermination du coefficient de diffusion contiennent deux points principaux : la mise en contact des substances diffusantes et l'analyse de la composition des substances qui modifient la diffusion. La composition (concentration de la substance diffusée) est déterminée chimiquement, optiquement (par des modifications de l'indice de réfraction ou de l'absorption de la lumière), par spectroscopie de masse, par la méthode des atomes marqués, etc.

2.Utilisation des procédés de diffusion

2.1 Diffusion dans la transformation des métaux

La métallisation par diffusion est le processus de saturation par diffusion de la surface des produits avec des métaux ou des métalloïdes. La saturation par diffusion s'effectue dans un mélange de poudres, un milieu gazeux ou du métal en fusion (si le métal a un point de fusion bas).

Boruration - la saturation par diffusion de la surface des métaux et alliages avec du bore pour augmenter la dureté, la résistance à la corrosion et la résistance à l'usure est réalisée par électrolyse dans du sel de bore fondu. Le boruration offre une dureté de surface et une résistance à l'usure particulièrement élevées et augmente la résistance à la corrosion et à la chaleur. Les aciers borés ont une résistance élevée à la corrosion dans les solutions aqueuses d'acides chlorhydrique, sulfurique et phosphorique. Le boruration est utilisé pour les pièces en fonte et en acier fonctionnant dans des conditions de frottement dans un environnement agressif (en génie chimique).

L'aluminisation est un processus de saturation par diffusion de la couche superficielle avec de l'aluminium, réalisé dans des mélanges en poudre d'aluminium ou dans de l'aluminium fondu. L'objectif est d'obtenir une résistance thermique élevée de la surface des pièces en acier. L'aluminisation est réalisée en milieu solide et liquide.

Siliconisation – la saturation par diffusion avec du silicium est réalisée dans une atmosphère gazeuse. La couche saturée de silicium d'une pièce en acier n'a pas une dureté très élevée, mais une résistance élevée à la corrosion et une résistance accrue à l'usure dans l'eau de mer, les acides nitrique, chlorhydrique et sulfurique. Les pièces siliconées sont utilisées dans les industries chimiques, des pâtes et papiers et pétrolières. Pour augmenter la résistance à la chaleur, la silicone est utilisée pour les produits en alliages à base de molybdène et de tungstène, qui ont une résistance élevée à la chaleur.

Les processus de diffusion dans les métaux jouent un rôle important. Si deux métaux sont mis en contact étroit par un faisceau de fusion ou en pressant la poudre d'un métal sur un autre et sont exposés à des températures suffisamment élevées, alors chacun des deux métaux diffusera dans l'autre. Si l’un des métaux est liquide, il se diffuse simultanément dans le solide et le dissout.

Si nous partons de métaux purs, toute une gamme de phases des deux métaux se forme dans la couche intermédiaire, généralement séparément du mélange de phases limites. La différence de concentration dans les couches individuelles est très différente ; le taux de diffusion dépend donc fortement de la structure du réseau. Dans le cas d'une série continue de solutions solides, la vitesse de diffusion dépend également de la composition de la masse ; Ainsi, la diffusion du cuivre dans le nickel à point de fusion élevé est beaucoup plus lente que la diffusion du nickel dans le cuivre. D'autres métaux diffusent dans le même métal, comme l'ont montré les expériences de Hévez et de Septs avec le plomb, d'autant plus rapidement qu'ils sont éloignés les uns des autres dans leurs groupes du système périodique (plus ils sont éloignés dans leur valence). En utilisant un isotope radioactif du plomb, on peut également établir que les atomes homogènes échangent leurs places particulièrement lentement. Le fait de cette autodiffusion démontre clairement le mouvement des atomes métalliques à haute température, qui constitue également la base de la cristallisation et de la croissance cristalline.

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Introduction

La diffusion joue un rôle énorme dans la nature, dans la vie humaine et dans la technologie. Les processus de diffusion peuvent avoir des effets à la fois positifs et négatifs sur la vie des humains et des animaux. Un exemple d’impact positif est le maintien d’une composition uniforme de l’air atmosphérique près de la surface de la Terre. La diffusion joue un rôle important dans divers domaines scientifiques et technologiques, dans les processus se produisant dans la nature vivante et inanimée. Cela influence le déroulement des réactions chimiques.

Avec la participation de la diffusion ou lorsque ce processus est perturbé et modifié, des phénomènes négatifs dans la nature et la vie humaine peuvent se produire, tels qu'une pollution massive de l'environnement par les produits du progrès technique humain.

Pertinence: La diffusion prouve que les corps sont composés de molécules en mouvement aléatoire ; La diffusion revêt une grande importance dans la vie humaine, animale et végétale, ainsi que dans la technologie.

Cible:

prouver que la diffusion dépend de la température ;

considérer des exemples de diffusion dans des expériences à domicile ;

assurez-vous que la diffusion se produit différemment dans différentes substances.

Considérons la diffusion thermique des substances.

Objectifs de recherche:

Étudier la littérature scientifique sur le thème « Diffusion ».

Prouver la dépendance du taux de diffusion sur le type de substance et la température.

Étudier l'influence du phénomène de diffusion sur l'environnement et l'homme.

Décrire et concevoir les expériences de diffusion les plus intéressantes.

Méthodes de recherche:

Analyse de la littérature et du matériel Internet.

Mener des expériences pour étudier la dépendance de la diffusion sur le type de substance et la température.

Analyse des résultats.

Sujet d'étude: le phénomène de diffusion, la dépendance du cours de la diffusion à divers facteurs, la manifestation de la diffusion dans la nature, la technologie et la vie quotidienne.

Hypothèse: La diffusion est d'une grande importance pour l'homme et la nature.

1.Partie théorique

1.1.Qu'est-ce que la diffusion

La diffusion est le mélange spontané de substances en contact, résultant du mouvement chaotique (désordonné) des molécules.

Autre définition : la diffusion ( lat. diffusion- propagation, propagation, dissipation) - le processus de transfert de matière ou d'énergie d'une zone de forte concentration vers une zone de faible concentration.

L'exemple le plus célèbre de diffusion est le mélange de gaz ou de liquides (si de l'encre tombe dans l'eau, le liquide deviendra uniformément coloré après un certain temps).

La diffusion se produit dans les liquides, les solides et les gaz. La diffusion se produit plus rapidement dans les gaz, plus lentement dans les liquides et encore plus lentement dans les solides, en raison de la nature du mouvement thermique des particules dans ces milieux. La trajectoire de chaque particule de gaz est une ligne brisée, car Lors de collisions, les particules changent la direction et la vitesse de leur mouvement. Pendant des siècles, les ouvriers ont soudé des métaux et produit de l'acier en chauffant du fer solide dans une atmosphère de carbone, sans avoir la moindre idée des processus de diffusion se produisant au cours de ce processus. Seulement en 1896 a commencé à étudier le problème.

La diffusion des molécules est très lente. Par exemple, si un morceau de sucre est placé au fond d’un verre d’eau et que l’eau n’est pas agitée, il faudra plusieurs semaines avant que la solution devienne homogène.

1.2. Le rôle de la diffusion dans la nature

Grâce à la diffusion, diverses substances gazeuses se propagent dans l'air : par exemple, la fumée d'un incendie se propage sur de longues distances. Si vous regardez les cheminées des entreprises et les pots d’échappement des voitures, vous pouvez souvent voir de la fumée près des tuyaux. Et puis il disparaît quelque part. La fumée se dissout dans l'air par diffusion. Si la fumée est dense, son panache s’étend assez loin.

Le résultat de la diffusion peut être une égalisation de la température dans la pièce lors de la ventilation. De la même manière, la pollution de l’air se produit avec des produits industriels nocifs et des gaz d’échappement des véhicules. Le gaz naturel inflammable que nous utilisons à la maison est incolore et inodore. S'il y a une fuite, il est impossible de la remarquer, c'est pourquoi dans les stations de distribution, le gaz est mélangé à une substance spéciale qui dégage une odeur piquante et désagréable, facilement perceptible par l'homme, même à une très faible concentration. Cette précaution permet de constater rapidement l'accumulation de gaz dans la pièce en cas de fuite (Figure 1).

Grâce au phénomène de diffusion, la couche inférieure de l'atmosphère - la troposphère - est constituée d'un mélange de gaz : azote, oxygène, dioxyde de carbone et vapeur d'eau. En l'absence de diffusion, la séparation se produirait sous l'influence de la gravité : au fond se trouverait une couche de dioxyde de carbone lourd, au-dessus - de l'oxygène, au-dessus - de l'azote, des gaz inertes (Fig. 2).

On observe également ce phénomène dans le ciel. Les nuages ​​​​qui se dispersent sont également un exemple de diffusion, et comme le dit avec précision F. Tioutchev : « Les nuages ​​fondent dans le ciel... » (Figure 3)

Le principe de diffusion repose sur le mélange d’eau douce et d’eau salée lorsque les rivières se jettent dans les mers. La diffusion de solutions de divers sels dans le sol contribue à la nutrition normale des plantes.

La diffusion joue un rôle important dans la vie des plantes et des animaux. Les fourmis marquent leur chemin avec des gouttelettes de liquide odorant et trouvent le chemin du retour (Figure 4)

Grâce à la diffusion, les insectes trouvent leur nourriture. Les papillons, flottant entre les plantes, trouvent toujours leur chemin vers une belle fleur. Les abeilles, ayant découvert un objet sucré, l'attaquent avec leur essaim. Et la plante grandit et fleurit pour eux aussi, grâce à la diffusion. Après tout, nous disons que la plante respire et expire de l’air, boit de l’eau et reçoit divers microadditifs du sol.

Les carnivores trouvent également leurs victimes par diffusion. Les requins peuvent sentir le sang à plusieurs kilomètres de distance, tout comme les poissons piranhas (Figure 5).

Les processus de diffusion jouent un rôle majeur dans l’approvisionnement en oxygène des réservoirs naturels et des aquariums. L'oxygène atteint les couches d'eau plus profondes des eaux stagnantes grâce à la diffusion à travers leur surface libre. Par exemple, des feuilles ou des lentilles d'eau recouvrant la surface de l'eau peuvent bloquer complètement l'accès de l'oxygène à l'eau et entraîner la mort de ses habitants. Pour la même raison, les récipients à col étroit ne conviennent pas à une utilisation comme aquarium (Fig. 6).

On a déjà noté qu'il existe de nombreux points communs dans la signification du phénomène de diffusion pour la vie des plantes et des animaux. Tout d'abord, il convient de noter le rôle de l'échange diffusif à travers la surface des plantes dans l'exercice de la fonction respiratoire. Pour les arbres, par exemple, il y a un développement particulièrement important de la surface (couronne des feuilles), car l'échange de diffusion à travers la surface des feuilles remplit la fonction de respiration. K.A. Timiryazev a déclaré : « Que l'on parle de la nutrition de la racine grâce aux substances présentes dans le sol, que l'on parle de la nutrition aérienne des feuilles due à l'atmosphère ou de la nutrition d'un organe aux dépens d'un autre organe voisin. - partout on aura recours aux mêmes raisons d'explication : la diffusion" (Figure 7).

Grâce à la diffusion, l'oxygène des poumons pénètre dans le sang humain et du sang dans les tissus.

Dans la littérature scientifique, j'ai étudié le processus de diffusion unidirectionnelle - l'osmose, c'est-à-dire diffusion de substances à travers des membranes semi-perméables. Le processus d'osmose diffère de la diffusion libre en ce qu'à la frontière de deux liquides en contact, il y a un obstacle sous la forme d'une cloison (membrane), qui n'est perméable qu'au solvant et pas du tout perméable aux molécules de la substance dissoute. (Fig. 8).

Les solutions de sol contiennent des sels minéraux et des composés organiques. L'eau du sol pénètre dans la plante par osmose à travers les membranes semi-perméables des poils absorbants. La concentration d'eau dans le sol est plus élevée qu'à l'intérieur des poils racinaires, de sorte que l'eau pénètre dans le grain et donne vie à la plante.

1.3. Le rôle de la diffusion dans la vie quotidienne et la technologie

La diffusion est utilisée dans de nombreux procédés technologiques : salage, production de sucre (les copeaux de betterave sucrière sont lavés à l'eau, les molécules de sucre se diffusent des copeaux dans la solution), fabrication de confitures, teinture de tissus, lavage du linge, cimentation, soudage et brasage des métaux, notamment soudage par diffusion sous vide (les métaux sont soudés qui ne peuvent être assemblés par d'autres méthodes - acier avec fonte, argent avec acier inoxydable, etc.) et métallisation par diffusion des produits (saturation de surface des produits en acier avec de l'aluminium, du chrome, du silicium), nitruration - saturation de la surface de l'acier en azote (l'acier devient dur, résistant à l'usure), carburation - saturation des produits sidérurgiques en carbone, cyanuration - saturation de la surface de l'acier en carbone et azote.

La propagation des odeurs dans l’air est l’exemple le plus courant de diffusion dans les gaz. Pourquoi l'odeur ne se propage-t-elle pas instantanément, mais après un certain temps ? Le fait est qu'en se déplaçant dans une certaine direction, les molécules d'une substance odorante entrent en collision avec les molécules d'air. La trajectoire de chaque particule de gaz est une ligne brisée, car Lors de collisions, les particules changent la direction et la vitesse de leur mouvement.

2. Partie pratique

Combien de choses étonnantes et intéressantes se produisent autour de nous ! Je veux en savoir beaucoup, essayer de l'expliquer moi-même. C'est pour cette raison que j'ai décidé de mener une série d'expériences au cours desquelles j'ai essayé de savoir si la théorie de la diffusion est réellement valable et si elle est confirmée dans la pratique. Toute théorie ne peut être considérée comme fiable que si elle est confirmée expérimentalement à plusieurs reprises.

Expérience n°1 Observation du phénomène de diffusion dans les liquides

Cible: étude de la diffusion dans un liquide. Observer la dissolution des morceaux de permanganate de potassium dans l'eau à température constante (à t = 20°C)

Appareils et matériaux: verre d'eau, thermomètre, permanganate de potassium.

J'ai pris un morceau de permanganate de potassium et deux verres d'eau propre à une température de 20 °C. Elle a mis des morceaux de permanganate de potassium dans des verres et a commencé à observer ce qui se passait. Au bout d'1 minute, l'eau dans les verres commence à se colorer.

L'eau est un bon solvant. Sous l'influence des molécules d'eau, les liaisons entre les molécules des substances solides du permanganate de potassium sont détruites.

Dans le premier verre, je n'ai pas remué la solution, mais dans le second je l'ai fait. En remuant l'eau (en secouant), je me suis assuré que le processus de diffusion se produisait beaucoup plus rapidement (2 minutes)

La couleur de l'eau du premier verre devient plus intense au fil du temps. Les molécules d'eau pénètrent entre les molécules de permanganate de potassium, brisant les forces d'attraction. Simultanément aux forces d'attraction entre les molécules, des forces répulsives commencent à agir et, par conséquent, le réseau cristallin de la substance solide est détruit. Le processus de dissolution du permanganate de potassium est terminé. L'expérience a duré 3 heures et 15 minutes. L'eau est devenue complètement cramoisie (Figure 9-12).

On peut conclure que le phénomène de diffusion dans un liquide est un processus à long terme, à la suite duquel les solides se dissolvent.

Je voulais savoir de quoi dépend la vitesse de diffusion.

Expérience n°2 Etude de la dépendance du taux de diffusion à la température

Cible:étudier comment la température de l’eau affecte le taux de diffusion.

Appareils et matériels : thermomètres - 1 pièce, chronomètre - 1 pièce, verres - 4 pièces, thé, permanganate de potassium.

(expérience de préparation du thé à une température initiale de 20°C et à une température de 100°C dans deux verres).

Nous avons pris deux verres d'eau à t=20 °C et t=100 °C. Les figures montrent le déroulement de l'expérience après un certain temps depuis le début : au début de l'expérience - Fig. 1, après 30 s. - Fig. 2, après 1 minute. - Fig. 3, après 2 minutes. - Fig.4, après 5 minutes. - riz 5, au bout de 15 minutes. - Fig.6. De cette expérience, nous pouvons conclure que le taux de diffusion est affecté par la température : plus la température est élevée, plus le taux de diffusion est élevé (Figure 13-17).

J'ai obtenu les mêmes résultats en prenant 2 verres d'eau au lieu du thé. L’un d’eux contenait de l’eau à température ambiante, le second de l’eau bouillante.

Je mets la même quantité de permanganate de potassium dans chaque verre. Dans le verre où la température de l'eau était plus élevée, le processus de diffusion s'est déroulé beaucoup plus rapidement (Fig. 18-23.)

Par conséquent, le taux de diffusion dépend de la température : plus la température est élevée, plus la diffusion est intense.

Expérience n°3 Observation de la diffusion à l'aide de réactifs chimiques

Cible: Observer le phénomène de diffusion à distance.

Équipement: coton, ammoniaque, phénolphtaléine, tube à essai.

Description de l'expérience : Versez de l'ammoniaque dans le tube à essai. Humidifiez un morceau de coton avec de la phénolphtaléine et placez-le sur le tube à essai. Au bout d'un certain temps, on observe la coloration de la toison (Fig. 24-26).

L'ammoniac s'évapore ; des molécules d'ammoniaque ont pénétré dans le coton imbibé de phénolphtaléine et celui-ci s'est coloré, bien que le coton n'ait pas été mis en contact avec de l'alcool. Les molécules d’alcool se mélangent aux molécules d’air et atteignent le coton. Cette expérience met en évidence le phénomène de diffusion à distance.

Expérience n°4. Observation du phénomène de diffusion dans les gaz

Cible:étude de l'évolution de la diffusion des gaz dans l'air en fonction de l'évolution de la température ambiante.

Appareils et matériaux: chronomètre, parfum, thermomètre

Description de l'expérience et des résultats obtenus: J'ai étudié le temps de propagation de l'odeur de parfum dans un bureau V = 120 m 3 à une température t = +20 0. Le temps a été enregistré depuis le début de la propagation de l'odeur dans la pièce jusqu'à l'obtention d'une sensibilité évidente chez des personnes se tenant à une distance de 10 m de l'objet étudié (parfum). (Figures 27-29)

Expérience n°5 Dissoudre des morceaux de gouache dans de l'eau à température constante

Cible:

Appareils et matériels : trois verres, eau, gouache de trois couleurs.

Description de l'expérience et des résultats obtenus :

Ils ont pris trois verres remplis d'eau t = 25 0 C et ont jeté des morceaux de gouache identiques dans les verres.

Nous commençons à observer la dissolution de la gouache.

Les photos ont été prises après 1 minute, 5 minutes, 10 minutes, 20 minutes, la dissolution s'est terminée après 4 heures 19 minutes (Figure 30-34).

Expérience n°6 Observation du phénomène de diffusion dans les solides

Cible: observation de la diffusion dans les solides.

Appareils et matériels : pomme, pommes de terre, carottes, solution verte, pipette.

Description de l'expérience et des résultats obtenus :

Coupez la pomme, les carottes et les pommes de terre en deux.

Nous observons comment la tache se propage sur la surface

Nous coupons au point de contact avec le vert brillant pour voir à quelle profondeur il a pénétré à l'intérieur (Fig. 35-37).

Comment mener une expérience pour confirmer l'hypothèse de la possibilité de diffusion dans les solides ? Est-il possible de mélanger des substances dans un tel état d’agrégation ? Il est fort probable que la réponse soit « Oui ». Mais il est pratique d'observer la diffusion dans des solides (très visqueux) à l'aide de gels épais. Il s'agit d'une solution dense de gélatine. Il peut être préparé comme suit : dissoudre 4 à 5 g de gélatine comestible sèche dans de l'eau froide. La gélatine doit d'abord gonfler pendant plusieurs heures, puis elle est complètement dissoute en remuant dans 100 ml d'eau, plongée dans un récipient contenant de l'eau chaude. Après refroidissement, une solution de gélatine à 4-5% est obtenue.

Expérience n°7 Observation de la diffusion à l'aide de gels épais

Cible: Observation du phénomène de diffusion dans les solides (à l'aide d'une solution épaisse de gélatine).

Équipement: Solution de gélatine à 4 %, tube à essai, petit cristal de permanganate de potassium, pince à épiler.

Description et résultat de l'expérience : Placez la solution de gélatine dans un tube à essai ; insérez rapidement un cristal de permanganate de potassium au centre du tube à essai avec une pince à épiler en un seul mouvement.

Cristal de permanganate de potassium au début de l'expérience

Localisation du cristal dans un flacon de solution de gélatine après 1h30

En quelques minutes, une boule violette commencera à se développer autour du cristal et, avec le temps, elle deviendra de plus en plus grande. Cela signifie que la substance cristalline se propage dans toutes les directions à la même vitesse (Figure 38-39).

Dans les solides, la diffusion se produit, mais beaucoup plus lentement que dans les liquides et les gaz.

Expérience n°8 Différence de température dans un liquide - diffusion thermique

Cible: Observation du phénomène de diffusion thermique.

Équipement: 4 récipients en verre identiques, 2 couleurs de peinture, eau chaude et froide, 2 cartes en plastique.

Description et résultat de l'expérience :

1. Ajoutez un peu de peinture rouge dans les récipients 1 et 2, de la peinture bleue dans les récipients 3 et 4.

2. Versez de l'eau chaude dans les récipients 1 et 2.

3. Versez de l'eau froide dans les récipients 3 et 4.

4. Couvrez le récipient 1 avec une carte en plastique, retournez-le et placez-le sur le récipient 4.

5. Couvrez le récipient 3 avec une carte en plastique, retournez-le et placez-le sur le récipient 2.

6. Retirez les deux cartes.

Cette expérience démontre l'effet de la diffusion thermique. Dans le premier cas, l’eau chaude apparaît au-dessus de l’eau froide et la diffusion ne se produit que lorsque les températures sont égales. Et dans le second cas, au contraire, le bas est chaud et le haut est froid. Et dans le second cas, les molécules d'eau chaude commencent à tendre vers le haut et les molécules d'eau froide commencent à tendre vers le bas (Figure 41-44).

Conclusion

Au cours de ces travaux de recherche, on peut conclure que la diffusion joue un rôle énorme dans la vie des humains et des animaux.

De ces travaux de recherche, on peut conclure que la durée de diffusion dépend de la température : plus la température est élevée, plus la diffusion est rapide.

J'ai étudié le phénomène de diffusion en prenant comme exemple diverses substances.

Le débit dépend du type de substance : il s'écoule plus rapidement dans les gaz que dans les liquides ; dans les solides, la diffusion se déroule beaucoup plus lentement. Cette affirmation peut s'expliquer comme suit : les molécules de gaz sont libres, situées à des distances bien supérieures à la taille des molécules et se déplacent à des vitesses élevées. Les molécules des liquides sont disposées de manière aussi aléatoire que dans les gaz, mais beaucoup plus denses. Chaque molécule, entourée de molécules voisines, se déplace lentement à l'intérieur du liquide. Les molécules de solides vibrent autour d'une position d'équilibre.

Il y a une diffusion thermique.

Bibliographie

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Application

Image 1

Figure 2

figure 3

chiffre 4

chiffre 5

Figure 6

chiffre 7

Les particules de solvant (bleues) sont capables de traverser la membrane,

les particules de soluté (rouges) ne le sont pas.

figure 8

chiffre 9

chiffre 10

figure 11

chiffre 12

Figure 13

figure 14

Figure 15

Figure 16

figure 17

chiffre 18

chiffre 19

chiffre 20

chiffre 21

chiffre 22

chiffre 23

chiffre 24

chiffre 25

chiffre 26

chiffre 27

chiffre 28

chiffre 29

chiffre 30

chiffre 31

chiffre 32

chiffre 33

figure 34

chiffre 35

chiffre 36

La diffusion est (littéralement) dispersion, propagation, propagation. Caractérise physiquement le processus de transfert d'énergie ou de matière d'une zone très concentrée vers une zone de faible concentration. Le phénomène le plus courant associé à la diffusion est le mélange de molécules de gaz (par exemple, lorsque l'arôme d'un parfum se propage dans l'air) ou de liquides. Le même processus peut être observé dans les solides. Par exemple, si l’extrémité d’une tige est chargée électriquement ou chauffée, la chaleur (ou la charge) se propagera progressivement de la zone chaude vers la zone froide. De plus, si vous prenez un objet métallique, la chaleur se propagera assez rapidement, et le courant électrique se propagera instantanément. Si la tige est en matériau synthétique, la propagation thermique se déroulera lentement et la propagation électrique se déroulera encore plus lentement. La diffusion des solides se produit à un rythme encore plus faible.

Il convient de noter que ce terme (comme beaucoup d’autres) est utilisé aujourd’hui non seulement en physique.

Il existe par exemple le concept de diffusion des innovations. Il s'agit d'un processus par lequel l'innovation est transmise au fil du temps aux entités commerciales via les canaux de communication. Dans ce cas, la diffusion est la diffusion d'informations dont la vitesse et la forme dépendent de celles utilisées. Les caractéristiques de la perception de l'information par les sujets exerçant des activités économiques, ainsi que leur capacité à appliquer pratiquement les informations reçues, sont également d'une grande importance. . Avec la diffusion d'une innovation déjà maîtrisée une fois et appliquée dans un autre domaine, le nombre de consommateurs et de producteurs augmente dans de nouveaux lieux et conditions. La continuité du processus façonne les frontières et les formes de distribution des innovations dans une économie de marché.

Les experts notent que dans les conditions économiques, la diffusion est cyclique. Parallèlement, la mise en œuvre de l'ensemble du processus de mise en œuvre et de diffusion des innovations est divisée en certaines étapes : recherche fondamentale et appliquée, développement et conception, construction, développement, ainsi que production industrielle, commercialisation et vente.

La diffusion culturelle est un concept utilisé dans la sphère sociale. Caractérise le processus de pénétration mutuelle de certains traits d'un groupe social à un autre lorsqu'ils entrent en contact. Dans ce cas, la diffusion ne peut laisser aucune empreinte sur aucune des cultures en interaction. Il peut toutefois arriver que cette pénétration provoque une influence forte et égale (ou unilatérale). Les canaux de diffusion sont principalement le tourisme, la guerre, le commerce, les conférences scientifiques, les foires et expositions, les échanges de spécialistes et d'étudiants.

La diffusion des innovations dans le domaine social peut s'effectuer dans deux directions : horizontale ou verticale.

Une pénétration horizontale (diffusion intergroupes) est constatée entre individus et groupes de statut égal.

La diffusion verticale se produit entre des sujets de statut inégal. Ce processus est appelé diffusion par stratification.

Elle se caractérise par une polarisation symbolique prononcée de la population. Selon un certain nombre d’experts culturels, la classe moyenne est aujourd’hui considérée comme un exemple de style de vie et de style (aussi bien pour les classes supérieures que pour les classes inférieures).

Apporte des traits positifs et négatifs dans la société. Ainsi, la diffusion d’idées élevées sur la vie dans les couches moyennes et (surtout) inférieures signifie, d’une part, l’illumination et la démocratisation du peuple. D’un autre côté, la haute culture peut dans ce cas être perçue de manière primitive et vulgaire.