ფიზიკის მრავალრიცხოვან ფენომენებს შორის, დიფუზიის პროცესი ერთ-ერთი ყველაზე მარტივი და გასაგებია. ყოველივე ამის შემდეგ, ყოველ დილით, როდესაც თავად ამზადებს სურნელოვან ჩაის ან ყავას, ადამიანს აქვს შესაძლებლობა პრაქტიკაში დააკვირდეს ამ რეაქციას. მოდით გავიგოთ მეტი ამ პროცესის შესახებ და მისი წარმოშობის პირობების შესახებ სხვადასხვა აგრეგატულ მდგომარეობებში.
რა არის დიფუზია
ეს სიტყვა აღნიშნავს ერთი ნივთიერების მოლეკულების ან ატომების შეღწევას მეორის მსგავს სტრუქტურულ ერთეულებს შორის. ამ შემთხვევაში შეღწევადი ნაერთების კონცენტრაცია ტოლდება.
ეს პროცესი პირველად დეტალურად აღწერა გერმანელმა მეცნიერმა ადოლფ ფიკმა 1855 წელს
ამ ტერმინის სახელწოდება ჩამოყალიბდა ლათინური სიტყვიერი არსებითი სახელიდან diffusio (ურთიერთქმედება, დისპერსია, განაწილება).
დიფუზია სითხეში
განხილული პროცესი შეიძლება მოხდეს ნივთიერებებთან აგრეგაციის სამივე მდგომარეობაში: აირისებრი, თხევადი და მყარი. ამის პრაქტიკული მაგალითებისთვის, უბრალოდ შეხედეთსამზარეულო.
ღუმელში მოხარშული ბორში ერთ-ერთი მათგანია. ტემპერატურის გავლენის ქვეშ გლუკოზინ ბეტანინის მოლეკულები (ნივთიერება, რომლის გამოც ჭარხალს აქვს ასეთი მდიდარი ალისფერი ფერი) თანაბრად რეაგირებს წყლის მოლეკულებთან, რაც მას უნიკალურ შინდისფერ შეფერილობას აძლევს. ეს შემთხვევა სითხეებში დიფუზიის მაგალითია.
ბორშის გარდა, ეს პროცესი შეგიძლიათ ნახოთ ჭიქა ჩაის ან ყავაშიც. ორივე ამ სასმელს აქვს ასეთი ერთგვაროვანი მდიდარი ელფერი იმის გამო, რომ ჩაის ფოთლები ან ყავის ნაწილაკები, წყალში იხსნება, თანაბრად ნაწილდება მის მოლეკულებს შორის, აფერადებს მას. ოთხმოცდაათიანი წლების ყველა პოპულარული ხსნადი სასმელის მოქმედება აგებულია იმავე პრინციპზე: Yupi, Invite, Zuko.
გაზების ურთიერთშეღწევა
სამზარეულოში განსახილველი პროცესის მანიფესტაციების შემდგომი ძიების გაგრძელების შემდეგ, ღირს ყნოსვა და სასიამოვნო არომატით დატკბობა სასადილო მაგიდაზე ახალი ყვავილების თაიგულიდან. რატომ ხდება ეს?
სუნის მატარებელი ატომები და მოლეკულები აქტიურ მოძრაობაში არიან და, შედეგად, შერეულნი არიან უკვე ჰაერში არსებულ ნაწილაკებთან და საკმაოდ თანაბრად არიან გაფანტული ოთახის მოცულობაში.
ეს არის აირებში დიფუზიის გამოვლინება. აღსანიშნავია, რომ განსახილველ პროცესს განეკუთვნება თვით ჰაერის ჩასუნთქვაც, ასევე სამზარეულოში ახლად მოხარშული ბორშის მადისაღმძვრელი სუნი.
დიფუზია მყარ სხეულებში
სამზარეულოს მაგიდა ყვავილებით დაფარულია ღია ყვითელი სუფრით. მან მიიღო მსგავსი ჩრდილის წყალობითდიფუზიის უნარი, გაიაროს მყარ სხეულებში.
ტილოს ერთგვაროვანი ჩრდილის მინიჭების პროცესი რამდენიმე ეტაპად მიმდინარეობს შემდეგნაირად.
- ყვითელი პიგმენტის ნაწილაკები, რომლებიც გაფანტულია მელნის ავზში ბოჭკოვანი მასალისკენ.
- ისინი შემდეგ შეიწოვება შეღებილი ქსოვილის გარე ზედაპირით.
- შემდეგი ნაბიჯი იყო ისევ საღებავის გავრცელება, მაგრამ ამჯერად ქსელის ბოჭკოებში.
- ფინალში ქსოვილმა დააფიქსირა პიგმენტის ნაწილაკები, რითაც გახდა ფერადი.
აირების დიფუზია მეტალებში
ჩვეულებრივ, ამ პროცესზე საუბრისას, განიხილება ნივთიერებების ურთიერთქმედება აგრეგაციის იმავე მდგომარეობაში. მაგალითად, დიფუზია მყარ, მყარ სხეულებში. ამ ფენომენის დასამტკიცებლად ტარდება ექსპერიმენტი ერთმანეთის წინააღმდეგ დაჭერილი ორი ლითონის ფირფიტით (ოქრო და ტყვია). მათი მოლეკულების ურთიერთშეღწევას საკმაოდ დიდი დრო სჭირდება (ხუთ წელიწადში ერთი მილიმეტრი). ეს პროცესი გამოიყენება უჩვეულო სამკაულების დასამზადებლად.
თუმცა, ნაერთებს სხვადასხვა აგრეგატულ მდგომარეობაში ასევე შეუძლიათ დიფუზირება. მაგალითად, არსებობს გაზების დიფუზია მყარ სხეულებში.
ექსპერიმენტების დროს დადასტურდა, რომ ასეთი პროცესი ატომურ მდგომარეობაში მიმდინარეობს. მის გასააქტიურებლად, როგორც წესი, საჭიროა ტემპერატურისა და წნევის მნიშვნელოვანი მატება.
მყარ სხეულებში ასეთი აირისებური დიფუზიის მაგალითია წყალბადის კოროზია. ის ვლინდება ისეთ სიტუაციებში, როდესაცწყალბადის ატომები (Н2), რომლებიც წარმოიქმნება ზოგიერთი ქიმიური რეაქციის დროს მაღალი ტემპერატურის (200-დან 650 გრადუსამდე ცელსიუსამდე) გავლენის ქვეშ, აღწევს ლითონის სტრუქტურულ ნაწილაკებს შორის..
წყალბადის გარდა, ჟანგბადის და სხვა აირების დიფუზია შეიძლება მოხდეს მყარ სხეულებშიც. ეს პროცესი, რომელიც თვალისთვის შეუმჩნეველია, დიდ ზიანს აყენებს, რადგან ლითონის კონსტრუქციები შეიძლება ჩამოინგრა.
სითხეების დიფუზია მეტალებში
თუმცა, არა მხოლოდ აირის მოლეკულებს შეუძლიათ შეაღწიონ მყარ სხეულებში, არამედ სითხეებშიც. როგორც წყალბადის შემთხვევაში, ყველაზე ხშირად ეს პროცესი იწვევს კოროზიას (როცა საქმე ლითონებს ეხება).
მყარ სხეულებში თხევადი დიფუზიის კლასიკური მაგალითია ლითონების კოროზია წყლის (H2O) ან ელექტროლიტური ხსნარების გავლენის ქვეშ. უმეტესობისთვის ეს პროცესი უფრო ნაცნობია ჟანგის სახელწოდებით. წყალბადის კოროზიისგან განსხვავებით, პრაქტიკაში მას უფრო ხშირად უნდა შეგვხვდეს.
დიფუზიის აჩქარების პირობები. დიფუზიის კოეფიციენტი
შევხედეთ იმ ნივთიერებებს, რომლებშიც შეიძლება მოხდეს განხილული პროცესი, ღირს გაეცნოთ მისი წარმოქმნის პირობებს.
უპირველეს ყოვლისა, დიფუზიის სიჩქარე დამოკიდებულია ურთიერთმოქმედი ნივთიერებების საერთო მდგომარეობაზე. რაც უფრო დიდია მასალის სიმკვრივე, რომელშიც ხდება რეაქცია, მით უფრო ნელია მისი სიჩქარე.
ამ მხრივ, სითხეებსა და აირებში დიფუზია ყოველთვის უფრო აქტიური იქნება, ვიდრე მყარ სხეულებში.
მაგალითად, თუ კრისტალებიკალიუმის პერმანგანატი KMnO4 (კალიუმის პერმანგანატი) ჩაყარეთ წყალში, მისცემს მას ლამაზ ჟოლოს ფერს რამდენიმე წუთში ფერი. თუმცა, თუ KMnO4 ყინულის ნაჭერს მოაყრით და ყველაფერს საყინულეში მოათავსებთ, რამდენიმე საათის შემდეგ კალიუმის პერმანგანატი არ შემიძლია გაყინული H 2O.
წინა მაგალითიდან შეიძლება კიდევ ერთი დასკვნის გაკეთება დიფუზიის პირობების შესახებ. აგრეგაციის მდგომარეობის გარდა, ტემპერატურა ასევე მოქმედებს ნაწილაკების ურთიერთშეღწევადობის სიჩქარეზე.
განხილული პროცესის მასზე დამოკიდებულების გასათვალისწინებლად, ღირს ისეთი კონცეფციის გაცნობა, როგორიცაა დიფუზიის კოეფიციენტი. ეს არის მისი სიჩქარის რაოდენობრივი მახასიათებლის სახელი.
უმეტეს ფორმულებში იგი აღინიშნება დიდი ლათინური ასო D-ით და SI სისტემაში ის იზომება კვადრატულ მეტრებში წამში (მ²/წმ), ზოგჯერ სანტიმეტრებში წამში (სმ2). /მ).
დიფუზიის კოეფიციენტი უდრის ნივთიერების რაოდენობას, რომელიც გაბნეულია ერთეულ ზედაპირზე დროის ერთეულზე, იმ პირობით, რომ სიმკვრივის სხვაობა ორივე ზედაპირზე (მდებარეობს ერთეული სიგრძის ტოლ მანძილზე) ერთის ტოლია. კრიტერიუმები, რომლებიც განსაზღვრავს D-ს, არის ნივთიერების თვისებები, რომელშიც მიმდინარეობს თავად ნაწილაკების გაფანტვის პროცესი და მათი ტიპი.
კოეფიციენტის დამოკიდებულება ტემპერატურაზე შეიძლება აღწერილი იყოს არენიუსის განტოლების გამოყენებით: D=D0exp(-E/TR).
განხილულ ფორმულაში E არის მინიმალური ენერგია, რომელიც საჭიროა პროცესის გასააქტიურებლად; T - ტემპერატურა (იზომება კელვინში და არა ცელსიუსში); R-იდეალური აირის მახასიათებელი გაზის მუდმივი.
გარდა ყოველივე ზემოთქმულისა, მყარ სხეულებში, აირებში სითხეებში დიფუზიის სიჩქარეზე გავლენას ახდენს წნევა და რადიაცია (ინდუქციური ან მაღალი სიხშირის). გარდა ამისა, ბევრი რამ არის დამოკიდებული კატალიზური ნივთიერების არსებობაზე, ხშირად ის მოქმედებს როგორც გამომწვევი ნაწილაკების აქტიური დისპერსიის დასაწყებად.
დიფუზიის განტოლება
ეს ფენომენი არის ნაწილობრივი დიფერენციალური განტოლების განსაკუთრებული ფორმა.
მისი მიზანია აღმოაჩინოს ნივთიერების კონცენტრაციის დამოკიდებულება სივრცის ზომასა და კოორდინატებზე (რომელშიც ის დიფუზირდება), ასევე დროზე. ამ შემთხვევაში მოცემული კოეფიციენტი ახასიათებს რეაქციისთვის გარემოს გამტარიანობას.
ყველაზე ხშირად, დიფუზიის განტოლება იწერება შემდეგნაირად: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
მასში φ (t და r) არის გაფანტული ნივთიერების სიმკვრივე r წერტილში t დროს. D (φ, r) - განზოგადებული დიფუზიის კოეფიციენტი φ სიმკვრივეზე r წერტილში.
∇ - ვექტორული დიფერენციალური ოპერატორი, რომლის კომპონენტები ნაწილობრივ წარმოებულებია კოორდინატებში.
როდესაც დიფუზიის კოეფიციენტი სიმკვრივეზეა დამოკიდებული, განტოლება არაწრფივია. როდესაც არა - წრფივი.
გავითვალისწინეთ დიფუზიის განმარტება და ამ პროცესის მახასიათებლები სხვადასხვა გარემოში, შეიძლება აღინიშნოს, რომ მას აქვს როგორც დადებითი, ასევე უარყოფითი მხარეები.
