Tra i numerosi fenomeni in fisica, il processo di diffusione è uno dei più semplici e comprensibili. Dopotutto, ogni mattina, preparandosi un tè o un caffè profumati, una persona ha l'opportunità di osservare in pratica questa reazione. Impariamo di più su questo processo e sulle condizioni per il suo verificarsi in diversi stati aggregati.
Cos'è la diffusione
Questa parola si riferisce alla penetrazione di molecole o atomi di una sostanza tra unità strutturali simili di un' altra. In questo caso, la concentrazione dei composti penetranti viene livellata.
Questo processo fu descritto per la prima volta in dettaglio dallo scienziato tedesco Adolf Fick nel 1855
Il nome di questo termine era formato dal sostantivo verbale latino diffusio (interazione, dispersione, distribuzione).
Diffusione in un liquido
Il processo in esame può avvenire con sostanze in tutti e tre gli stati di aggregazione: gassosa, liquida e solida. Per esempi pratici di questo, basta guardarecucina.
Il borsch bollito in stufa è uno di questi. Sotto l'influenza della temperatura, le molecole di glucosina betanina (una sostanza a causa della quale le barbabietole hanno un colore scarlatto così ricco) reagiscono uniformemente con le molecole d'acqua, conferendole una tonalità bordeaux unica. Questo caso è un esempio di diffusione nei liquidi.
Oltre al borscht, questo processo può essere visto anche in un bicchiere di tè o caffè. Entrambe queste bevande hanno una tonalità così uniforme e ricca dovuta al fatto che le foglie di tè o le particelle di caffè, dissolvendosi in acqua, si diffondono uniformemente tra le sue molecole, colorandolo. L'azione di tutte le bevande istantanee popolari degli anni Novanta si basa sullo stesso principio: Yupi, Invite, Zuko.
Compenetrazione di gas
Continuando a cercare le manifestazioni del processo in questione in cucina, vale la pena annusare e godersi il piacevole aroma che emana da un mazzo di fiori freschi sul tavolo da pranzo. Perché sta succedendo questo?
Gli atomi e le molecole che trasportano odori sono in movimento attivo e, di conseguenza, sono mescolati con le particelle già presenti nell'aria e sono dispersi in modo abbastanza uniforme nel volume della stanza.
Questa è una manifestazione di diffusione nei gas. Vale la pena notare che anche l'inalazione stessa dell'aria appartiene al processo in esame, così come l'appetitoso odore del borsch appena cucinato in cucina.
Diffusione nei solidi
Il tavolo della cucina con i fiori è coperto da una tovaglia giallo brillante. Ha ricevuto una tonalità simile grazie ala capacità di diffusione di passare attraverso i solidi.
Il processo per conferire alla tela una sfumatura uniforme avviene in più fasi come segue.
- Particelle di pigmento giallo diffuse nel serbatoio dell'inchiostro verso il materiale fibroso.
- Sono stati quindi assorbiti dalla superficie esterna del tessuto tinto.
- Il passo successivo è stato di nuovo diffondere il colorante, ma questa volta nelle fibre della tela.
- Nel finale, il tessuto ha fissato le particelle di pigmento, diventando così colorato.
Diffusione dei gas nei metalli
Di solito, parlando di questo processo, consideriamo l'interazione di sostanze nello stesso stato di aggregazione. Ad esempio, diffusione nei solidi, solidi. Per provare questo fenomeno, si esegue un esperimento con due lastre di metallo premute l'una contro l' altra (oro e piombo). La compenetrazione delle loro molecole richiede molto tempo (un millimetro in cinque anni). Questo processo viene utilizzato per creare gioielli insoliti.
Tuttavia, anche composti in diversi stati aggregati sono in grado di diffondersi. Ad esempio, c'è diffusione di gas nei solidi.
Durante gli esperimenti è stato dimostrato che tale processo avviene nello stato atomico. Per attivarlo, di norma, è necessario un aumento significativo di temperatura e pressione.
Un esempio di tale diffusione gassosa nei solidi è la corrosione da idrogeno. Si manifesta in situazioni in cuiGli atomi di idrogeno (Н2) che si sono formati nel corso di alcune reazioni chimiche sotto l'influenza di temperature elevate (da 200 a 650 gradi Celsius) penetrano tra le particelle strutturali del metallo.
Oltre all'idrogeno, la diffusione di ossigeno e altri gas può avvenire anche nei solidi. Questo processo, impercettibile alla vista, fa molto male, perché le strutture metalliche possono crollare a causa di esso.
Diffusione di liquidi nei metalli
Tuttavia, non solo le molecole di gas possono penetrare nei solidi, ma anche nei liquidi. Come nel caso dell'idrogeno, molto spesso questo processo porta alla corrosione (quando si tratta di metalli).
Un classico esempio di diffusione di liquidi nei solidi è la corrosione dei metalli sotto l'influenza dell'acqua (H2O) o di soluzioni elettrolitiche. Per la maggior parte, questo processo è più familiare sotto il nome di ruggine. A differenza della corrosione da idrogeno, in pratica deve essere incontrata molto più spesso.
Condizioni per accelerare la diffusione. Coefficiente di diffusione
Dopo aver affrontato le sostanze in cui può verificarsi il processo in esame, vale la pena conoscere le condizioni per il suo verificarsi.
Innanzitutto la velocità di diffusione dipende dallo stato aggregato delle sostanze interagenti. Maggiore è la densità del materiale in cui avviene la reazione, minore è la sua velocità.
A questo proposito, la diffusione nei liquidi e nei gas sarà sempre più attiva che nei solidi.
Ad esempio, se i cristallipermanganato di potassio KMnO4 (permanganato di potassio) gettare in acqua, gli daranno un bel colore lampone in pochi minuti Colore. Tuttavia, se cospargi cristalli di KMnO4 su un pezzo di ghiaccio e metti tutto nel congelatore, dopo alcune ore, il permanganato di potassio non essere in grado di colorare completamente il congelato H 2O.
Dall'esempio precedente si può trarre un' altra conclusione sulle condizioni di diffusione. Oltre allo stato di aggregazione, la temperatura influisce anche sulla velocità di compenetrazione delle particelle.
Per considerare la dipendenza del processo in esame da esso, vale la pena conoscere un concetto come il coefficiente di diffusione. Questo è il nome della caratteristica quantitativa della sua velocità.
Nella maggior parte delle formule, è indicato con una lettera latina maiuscola D e nel sistema SI è misurato in metri quadrati al secondo (m² / s), a volte in centimetri al secondo (cm2 /m).
Il coefficiente di diffusione è uguale alla quantità di materia sparsa attraverso una superficie unitaria nell'unità di tempo, a condizione che la differenza di densità su entrambe le superfici (situate ad una distanza pari ad una lunghezza unitaria) sia uguale a uno. I criteri che determinano D sono le proprietà della sostanza in cui avviene lo stesso processo di dispersione delle particelle e la loro tipologia.
La dipendenza del coefficiente dalla temperatura può essere descritta usando l'equazione di Arrhenius: D=D0exp(-E/TR).
Nella formula considerata E è l'energia minima richiesta per attivare il processo; T - temperatura (misurata in Kelvin, non Celsius); R-costante gas caratteristica di un gas ideale.
Oltre a tutto quanto sopra, la velocità di diffusione nei solidi, nei liquidi nei gas è influenzata dalla pressione e dalla radiazione (induttiva o ad alta frequenza). Inoltre, molto dipende dalla presenza di una sostanza catalitica, spesso funge da fattore scatenante per l'inizio della dispersione attiva delle particelle.
Equazione di diffusione
Questo fenomeno è una forma particolare dell'equazione alle derivate parziali.
Il suo obiettivo è trovare la dipendenza della concentrazione di una sostanza dalle dimensioni e dalle coordinate dello spazio (in cui si diffonde), oltre che dal tempo. In questo caso, il coefficiente dato caratterizza la permeabilità del mezzo per la reazione.
Molto spesso, l'equazione di diffusione è scritta come segue: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
In esso φ (t e r) è la densità della sostanza scattering al punto r al tempo t. D (φ, r) - coefficiente di diffusione generalizzato alla densità φ nel punto r.
∇ - operatore differenziale vettoriale le cui componenti sono derivate parziali in coordinate.
Quando il coefficiente di diffusione dipende dalla densità, l'equazione non è lineare. Quando non - lineare.
Dopo aver considerato la definizione di diffusione e le caratteristiche di questo processo nei diversi ambienti, si può notare che ha lati positivi e negativi.
