დავიწყოთ იმით, რომ სითხე არის აგრეგაციის შუალედური მდგომარეობა. კრიტიკულ დუღილზე ის გაზების მსგავსია, ხოლო დაბალ ტემპერატურაზე მყარის მსგავსი მახასიათებლები ჩნდება. სითხეს არ გააჩნია იდეალური მოდელი, რაც მნიშვნელოვნად ართულებს მისი წონასწორობის თერმოდინამიკური თვისებების, გაყინვის წერტილის, სიბლანტის, დიფუზიის, თბოგამტარობის, ზედაპირული დაძაბულობის, ენტროპიის, ენთალპიის აღწერას.
განმარტება
რა არის დიფუზია? ეს არის საშუალო ნაწილაკების გავრცელება, განაწილება, მოძრაობა, რაც იწვევს მატერიის გადატანას, წონასწორული კონცენტრაციების დამყარებას. გარე გავლენის არარსებობის შემთხვევაში, ეს პროცესი განისაზღვრება ნაწილაკების თერმული მოძრაობით. ამ შემთხვევაში დიფუზიის პროცესი კონცენტრაციის პირდაპირპროპორციულია. დიფუზიის ნაკადი კონცენტრაციის გრადიენტის მსგავსად შეიცვლება.
ჯიშები
თუ სითხეში დიფუზია მიმდინარეობს ტემპერატურის ცვლილებით, მას ეწოდება თერმული დიფუზია, ელექტრულ ველში - ელექტროდიფუზია.
სითხეში ან აირში დიდი ნაწილაკების გადაადგილების პროცესი ხდება ქვეშბრაუნის მოძრაობის კანონები.
ნაკადის მახასიათებლები
აირებში, სითხეებსა და მყარ სხეულებში დიფუზია სხვადასხვა სიჩქარით მიმდინარეობს. სხვადასხვა გარემოში ნაწილაკების თერმული მოძრაობის ბუნების განსხვავებების გამო, პროცესს აქვს მაქსიმალური სიჩქარე გაზებში, ხოლო მინიმალური სიჩქარე - მყარ სხეულებში.
ნაწილაკების ტრაექტორია არის გატეხილი ხაზი, რადგან მიმართულება და სიჩქარე პერიოდულად იცვლება. უწესრიგო მოძრაობის გამო შეინიშნება ნაწილაკის თანდათანობითი ამოღება თავდაპირველი პოზიციიდან. მისი გადაადგილება სწორი ხაზის გასწვრივ გაცილებით მოკლეა ვიდრე გზა, რომელიც გატეხილი ბილიკის გასწვრივ მიმდინარეობს.
ფიკის კანონი
სითხეში დიფუზია ემორჩილება ფიკის ორ კანონს:
- დიფუზიური ნაკადის სიმკვრივე პირდაპირპროპორციულია კონცენტრაციის დიფუზიის კოეფიციენტით;
- დიფუზიური ნაკადის სიმკვრივის ცვლილების სიჩქარე პირდაპირპროპორციულია კონცენტრაციის ცვლილების სიჩქარისა და აქვს საპირისპირო მიმართულება.
სითხეში დიფუზია ხასიათდება მოლეკულების გადახტებით ერთი წონასწორული პოზიციიდან მეორეზე. ყოველი ასეთი ნახტომი შეინიშნება, როდესაც ენერგია გადაეცემა მოლეკულას იმ მოცულობით, რომელიც საკმარისია სხვა ნაწილაკებთან კავშირის გასაწყვეტად. საშუალო ნახტომი არ აღემატება მანძილს მოლეკულებს შორის.
როდესაც განვიხილავთ რა არის სითხეში დიფუზია, აღვნიშნავთ, რომ პროცესი დამოკიდებულია ტემპერატურაზე. მისი მატებასთან ერთად ხდება თხევადი სტრუქტურის „გაფხვიერება“, რის შედეგადაც ხდება მკვეთრი მატება.ნახტომების რაოდენობა დროის ერთეულზე.
აირებში, სითხეებსა და მყარ სხეულებში დიფუზიას აქვს გარკვეული გამორჩეული მახასიათებლები. მაგალითად, მყარ სხეულებში, მექანიზმი დაკავშირებულია ატომების მოძრაობასთან ბროლის გისოსში.
ფენომენის თავისებურებები
სითხეში დიფუზია პრაქტიკულ ინტერესს იწვევს იმის გამო, რომ მას თან ახლავს ნივთიერების კონცენტრაციის გათანაბრება თავდაპირველად არაერთგვაროვან გარემოში. საგრძნობლად მეტი ნაწილაკი გადის მაღალი კონცენტრაციის უბნებიდან.
ექსპერიმენტები
სითხეებთან ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ დიფუზიას განსაკუთრებული მნიშვნელობა აქვს ქიმიურ კინეტიკაში. რეაქტიული ნივთიერებების ან კატალიზატორის ზედაპირზე ქიმიური პროცესის მსვლელობისას, ეს პროცესი ხელს უწყობს რეაქციის პროდუქტების მოცილების სიჩქარის განსაზღვრას და საწყისი რეაგენტების დამატებას.
რა ხსნის სითხეებში დიფუზიას? გამხსნელის მოლეკულებს შეუძლიათ შეაღწიონ გამჭვირვალე მემბრანებში, რაც იწვევს ოსმოსურ წნევას. ამ ფენომენმა იპოვა გამოყენება ნივთიერებების გამოყოფის ქიმიურ და ფიზიკურ მეთოდებში.
ბიოლოგიური სისტემები
ამ შემთხვევაში, დიფუზიური მოდელები შეიძლება განიხილებოდეს ფილტვებში ჰაერის ჟანგბადის მოხვედრის, საჭმლის მომნელებელი პროდუქტების ნაწლავიდან სისხლში შეწოვის, მინერალური ელემენტების ფესვის თმების შეწოვის მაგალითზე. იონების დიფუზია ხდება კუნთებისა და ნერვული უჯრედების მიერ ბიოელექტრული იმპულსების წარმოქმნის დროს.
ფიზიკური ფაქტორი, რომელიც მოქმედებსგარკვეული ელემენტების სხეულის უჯრედებში დაგროვების სელექციურობა არის იონების შეღწევის განსხვავებული სიჩქარე უჯრედის მემბრანებში. ეს პროცესი შეიძლება გამოიხატოს ფიკის კანონით, შეცვალოს დიფუზიის კოეფიციენტის მნიშვნელობა მემბრანის გამტარიანობით და კონცენტრაციის გრადიენტის ნაცვლად გამოიყენოს მნიშვნელობების განსხვავება მემბრანის ორივე მხარეს. წყლისა და აირების უჯრედში დიფუზიური შეღწევით, იცვლება ოსმოსური წნევის მაჩვენებლები უჯრედის გარეთ და შიგნით.
გაანალიზებით რაზეა დამოკიდებული დიფუზია, აღვნიშნავთ, რომ ამ პროცესის რამდენიმე ტიპი არსებობს. მარტივი ფორმა ასოცირდება იონების და მოლეკულების თავისუფალ გადაცემასთან მათი ელექტროქიმიური პოტენციალის გრადიენტისკენ. მაგალითად, ეს ვარიანტი შესაფერისია იმ ნივთიერებებისთვის, რომლებშიც მოლეკულები მცირე ზომისაა, მაგალითად, მეთილის სპირტი, წყალი.
შეზღუდული ვარიანტი ითვალისწინებს მატერიის სუსტ გადაცემას. მაგალითად, მცირე ნაწილაკებსაც კი არ შეუძლიათ უჯრედში შეღწევა.
ისტორიის გვერდები
დიფუზია აღმოაჩინეს ძველი ბერძნული კულტურის აყვავების პერიოდში. დემოკრიტე და ანაქსოგორა დარწმუნებულნი იყვნენ, რომ ნებისმიერი ნივთიერება ატომებისგან შედგება. ისინი ხსნიდნენ ბუნებაში გავრცელებული ნივთიერებების მრავალფეროვნებას ცალკეულ ატომებს შორის კავშირებით. მათ ვარაუდობდნენ, რომ ამ ნაწილაკებს შეეძლოთ შერევა ახალი ნივთიერებების შესაქმნელად. მოლეკულურ-კინეტიკური თეორიის ფუძემდებელთა შორის, რომელიც ხსნიდა დიფუზიის მექანიზმს, განსაკუთრებული როლი ითამაშა მიხაილ ლომონოსოვმა. მათ მისცეს განმარტება მოლეკულას, ატომს და განმარტეს დაშლის მექანიზმი.
ექსპერიმენტები
შაქართან დაკავშირებული გამოცდილება საშუალებას გაძლევთ გაიგოთ დიფუზიის ყველა მახასიათებელი. თუ ცივ ჩაიში ჩაყარეთ შაქრის ნაჭერი, ჭიქის ძირში თანდათან სქელი სიროფი წარმოიქმნება. შეუიარაღებელი თვალით ჩანს. გარკვეული პერიოდის შემდეგ, სიროფი თანაბრად გადანაწილდება სითხის მოცულობაში და აღარ გამოჩნდება. ეს პროცესი სპონტანურად მიმდინარეობს და არ გულისხმობს ხსნარის კომპონენტების შერევას. ანალოგიურად, სუნამოს სურნელი ვრცელდება მთელ ოთახში.
ზემოხსენებული ექსპერიმენტები აჩვენებს, რომ დიფუზია არის ერთი ნივთიერების მოლეკულების მეორეში შეღწევის სპონტანური პროცესი. მატერიის გავრცელება ხდება ყველა მიმართულებით, მიუხედავად გრავიტაციის არსებობისა. ასეთი პროცესი მატერიის მოლეკულების მუდმივი მოძრაობის პირდაპირი დადასტურებაა.
ამგვარად, ზემოთ მოყვანილ მაგალითში ხორციელდება შაქრისა და წყლის მოლეკულების დიფუზია, რასაც თან ახლავს ორგანული ნივთიერების მოლეკულების ერთგვაროვანი განაწილება სითხის მოცულობაში.
ექსპერიმენტები შესაძლებელს ხდის დიფუზიის აღმოჩენას არა მხოლოდ სითხეებში, არამედ აირისებრ ნივთიერებებშიც. მაგალითად, სასწორზე შეგიძლიათ დააყენოთ კონტეინერი ეთერის ორთქლით. თანდათან ჭიქები წონასწორობაში მოვა, შემდეგ ეთერის ჭიქა უფრო დამძიმდება. რა არის ამ ფენომენის მიზეზი?
დროთა განმავლობაში ეთერის მოლეკულები ჰაერის ნაწილაკებს ერევა და ოთახში სპეციფიკური სუნი იგრძნობა. საშუალო სკოლის ფიზიკის კურსში განიხილება ექსპერიმენტი, რომლის დროსაც მასწავლებელი წყალში ხსნის კალიუმის პერმანგანატის (კალიუმის პერმანგანატის) მარცვალს. თავდაპირველად ჩანს მარცვლეულის მოძრაობის მკაფიო ტრაექტორია,მაგრამ თანდათან მთელი ხსნარი იძენს ერთგვაროვან ჩრდილს. ექსპერიმენტის საფუძველზე მასწავლებელი განმარტავს დიფუზიის თავისებურებებს.
სითხეებში პროცესის სიჩქარეზე მოქმედი ფაქტორების დასადგენად, შეგიძლიათ გამოიყენოთ სხვადასხვა ტემპერატურის წყალი. ცხელ სითხეში მოლეკულების ურთიერთშერევის პროცესი შეინიშნება ბევრად უფრო სწრაფად, შესაბამისად, არსებობს პირდაპირი კავშირი ტემპერატურის მნიშვნელობასა და დიფუზიის სიჩქარეს შორის.
დასკვნა
აირებთან, სითხეებთან და მყარ სხეულებთან ჩატარებული ექსპერიმენტები შესაძლებელს ხდის ფიზიკის კანონების ჩამოყალიბებას, ცალკეულ სიდიდეებს შორის კავშირის დადგენას.
სწორედ ექსპერიმენტების შედეგად დადგინდა ერთი ნივთიერების ნაწილაკების მეორეში ურთიერთშეღწევის მექანიზმი, დადასტურდა მათი მოძრაობის ქაოტური ბუნება. ემპირიულად დადგინდა, რომ დიფუზია ყველაზე სწრაფად აირისებრ ნივთიერებებში ხდება. ამ პროცესს დიდი მნიშვნელობა აქვს ველური ბუნებისთვის, გამოიყენება მეცნიერებასა და ტექნოლოგიაში.
ამ ფენომენის წყალობით შენარჩუნებულია დედამიწის ატმოსფეროს ერთგვაროვანი შემადგენლობა. წინააღმდეგ შემთხვევაში, შეინიშნებოდა ტროპოსფეროს სტრატიფიკაცია ცალკეულ აირისებრ ნივთიერებებად და მძიმე ნახშირორჟანგი, სუნთქვისთვის შეუფერებელი, ყველაზე ახლოს იქნებოდა ჩვენი პლანეტის ზედაპირთან. რას გამოიწვევს ეს? ველური ბუნება უბრალოდ შეწყვეტს არსებობას.
დიფუზიის როლი მცენარეთა სამყაროშიც დიდია. ხეების აყვავებული გვირგვინი შეიძლება აიხსნას დიფუზიური გაცვლით ფოთლების ზედაპირზე. შედეგად ხდება არა მხოლოდ სუნთქვა, არამედ ხის კვებაც. ამჟამად სოფლის მეურნეობაშიგამოიყენება ბუჩქებისა და ხეების ფოთლოვანი კვება, რაც გულისხმობს გვირგვინის სპეციალური ქიმიური ნაერთებით შესხურებას.
დიფუზიის დროს მცენარე იღებს საკვებ ნივთიერებებს ნიადაგიდან. ამ მოვლენასთან არის დაკავშირებული ცოცხალ ორგანიზმებში მიმდინარე ფიზიოლოგიური პროცესებიც. მაგალითად, მარილის ბალანსი შეუძლებელია დიფუზიის გარეშე. ასეთ პროცესებს დიდი მნიშვნელობა აქვს ტბებისა და მდინარეების ჟანგბადით მომარაგებაში. გაზი რეზერვუარის სიღრმეში სწორედ დიფუზიით შედის. ასეთი პროცესი რომ არ ყოფილიყო, წყალსაცავის შიგნით სიცოცხლე შეწყვეტდა.
წამლების მიღება, რომლებიც საშუალებას აძლევს ადამიანს დაიცვას თავი სხვადასხვა დაავადების პათოგენებისგან და გააუმჯობესოს კეთილდღეობა, ასევე ეფუძნება დიფუზიას. ეს ფენომენი გამოიყენება ლითონების შედუღებაში, ჭარხლის ჩიფსებიდან შაქრის წვენის წარმოებაში და საკონდიტრო ნაწარმის მომზადებაში. ძნელია იპოვოთ თანამედროვე ინდუსტრიის ისეთი ფილიალი, სადაც დიფუზია არ არის გამოყენებული.
