Одно из первых понятий, которое встречается нам при изучении физики - это диффузия. Казалось бы, что если эта тема стоит самой первой, то она и самая простая.
Да, вопрос диффузии действительно один из самых простых, но это не значит, что он малозначимый. Диффузия встречается в нашей жизни повсеместно. Что же это такое?
Диффузией называется процесс взаимного проникновения частиц одного вещества между частицами другого вещества.
Как мы помним, все тела и объекты состоят, согласно физической теории, из атомов и молекул. Соответственно, если перефразировать теперь приведенное определение, то выйдет, что диффузия есть процесс взаимного проникновения атомов одного вещества между атомами другого вещества. В некоторых случаях уместно говорить о перемещении целых молекул одного вещества и другого вещества.
Процесс протекает самопроизвольно и сопровождается выравниванием концентраций тех веществ, которые участвуют в диффузии. Примерная логика процесса приведена на рисунке выше. Как видите, если мы смешаем две разнородных жидкости, тов результате концентрация выравнивается и мы получаем равномерный раствор.
Перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.
Примеров в жизни предостаточно. Легче всего вникнуть в это понятие, описывая распространение запахов. Если в одной части помещения появился источник запаха, то рано или поздно во все комнате будет так пахнуть. Почему? Всё просто. Источник запаха - это частички вещества. Они попали в открытое пространство комнаты и началась диффузия. В итоге все концентрации выравниваются, а объемы перемешиваются. Получается комната с вонью.
Возникает и ещё один вопрос. Почему же тогда в случае с медным купоросом, как на картинке, диффузия протекает, а в случае, если мы налили масло в воду, то образуются две несмешивающиеся субстанции?
Для того, чтобы ответить на этот вопрос, нужно понимать, каковы причины диффузии.
Причина диффузии
Все молекулы находятся в постоянном движении. Они перемещаются и, если не объединены в какие-то крупные агрегаты, имеют свободное движение. Есть такая штука, как броуновское движение. Кстати говоря, многие при изучении физики путают понятия диффузии и броуновского движения. Так вот, броуновское движение является причиной диффузии. Сама же диффузия есть процесс, порожденный броуновским движением.
Собственно говоря, это движение представляет собой постоянное хаотическое перемещение молекул. Когда встречается несколько разнородных веществ, эти броуновские движения начинают перемешиваться одна в другом и вызывают диффузию.
Броуновское движение легко наблюдать, если бросить в стакан с водой один кристаллик марганцовки и смотреть, как он тонет и постоянно прыгает по объему стакана.
Соответственно, возвращаясь к маслу в стакане,можно сказать, что субстанции эти рано или поздно всё равно перемешаются (правда срок может быть огромным), а мешает им это сделать граница раздела, которая становится непробиваемой пленкой на границе сред.
В каких телах возможна диффузия
Диффузия может протекать в жидкостях, газах и в твердых телах. Правда протекает она с разной скоростью. Быстрее всего происходит это в газах. Дальше в жидкостях. Ну а на последнем месте твердые тела.
Как вы думаете, возможна ли диффузия в твердых телах?
Да, конечно же, возможна! Кроме того, на этом физическом явлении держится целая группа обработки материалов. Существует так называемое диффузионное насыщение. Берется образец, засыпается специальным порошком или составом, ставится в печь и на выходе мы получаем слой с особыми свойствам. Сам же слой формируется в результате диффузинного насыщения.
Такой процесс может происходить и между двумя твердыми телами. Например, если положить друг на друга две отполированных пластиночки металла, то рано или поздно частички одного металла будут проникать в другой металл.
Мы упомянули, что образцы часто помещают в печь, для того, чтобы повлиять на скорость диффузии. Что же влияет на диффузию?
От чего зависит скорость диффузии
Главная характеристика диффузии - это её скорость. Скорость диффузии тем выше, чем выше температура среды, где она протекает.
Почему так происходит?
Всё очень просто. Есть в физике одно важное правило. Чем выше температура окружающей среды, тем быстрее перемещаются частички. Ну а диффузия, как мы помним, зависит именно от скорости движения частичек. Соответственно, главный фактор, определяющий скорость диффузии, есть температура. Чем она выше - тем больше скорость.
Именно для этого и помещают образцы в печь для диффузионного насыщения. Нужно ускорить процесс, а то ждать может потребоваться сотни лет.
Диффузия для крутых
Если вы думаете, что диффузия - это самая простая тема в физике, то вы глубоко заблуждаетесь. Тема легко воспринимается, но является фундаментом для понимания множества процессов. Кроме того, если углубиться в изучение этого понятия, то можно узнать, что существуют законы, описывающие этот процесс.
Например, есть так называемые законы Фика. Посмотрим на первый закон.
Диффузия является фундаментальным понятием для материаловедов и металловедов. Так, процессы, происходящие в сплавах (что такое сплав читайте в этой моей статье) часто описываются именно диффузионным механизмом.
Ещё диффузия является фундаментальным процессом для различного рода химической или термохимической обработки.
Остались вопросы?
Обязательно задавайте их в комментариях! Подписывайтесь на мой проект и смотрите инженерные знания.
