Դիֆուզիոն պինդ, հեղուկների և գազերի մեջ. սահմանում, պայմաններ

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-17 05:30

Ֆիզիկայի բազմաթիվ երևույթների շարքում դիֆուզիոն գործընթացը ամենապարզ և հասկանալիներից մեկն է: Ի վերջո, ամեն առավոտ, պատրաստելով իրեն բուրավետ թեյ կամ սուրճ, մարդը հնարավորություն ունի գործնականում դիտարկել այս արձագանքը: Եկեք ավելին իմանանք այս գործընթացի և տարբեր ագրեգատային վիճակներում դրա առաջացման պայմանների մասին։

Ի՞նչ է դիֆուզիան

Այս բառը վերաբերում է մի նյութի մոլեկուլների կամ ատոմների ներթափանցմանը մյուսի նման կառուցվածքային միավորների միջև։ Այս դեպքում ներթափանցող միացությունների կոնցենտրացիան հարթվում է։

Այս գործընթացը առաջին անգամ մանրամասն նկարագրվել է գերմանացի գիտնական Ադոլֆ Ֆիկի կողմից 1855 թվականին

Այս տերմինի անվանումը ձևավորվել է լատիներեն diffusio բառային գոյականից (փոխազդեցություն, ցրում, բաշխում):

Դիֆուզիոն հեղուկի մեջ

Քննարկվող գործընթացը կարող է առաջանալ ագրեգացման բոլոր երեք վիճակներում գտնվող նյութերի դեպքում՝ գազային, հեղուկ և պինդ: Դրա գործնական օրինակների համար պարզապես նայեքխոհանոց.

Վառարանում եփած բորշը դրանցից մեկն է։ Ջերմաստիճանի ազդեցության տակ գլյուկոզին բետանինի մոլեկուլները (նյութ, որի շնորհիվ ճակնդեղն ունի այդքան հարուստ կարմիր գույն) հավասարապես փոխազդում են ջրի մոլեկուլների հետ՝ տալով նրան յուրահատուկ բորդո երանգ։ Այս դեպքը հեղուկների մեջ դիֆուզիայի օրինակ է։

Բացի բորշից, այս գործընթացը կարելի է տեսնել նաև մեկ բաժակ թեյի կամ սուրճի մեջ։ Այս երկու ըմպելիքներն էլ ունեն այնքան միատեսակ հարուստ երանգ՝ կապված այն բանի հետ, որ թեյի տերևները կամ սուրճի մասնիկները, լուծվելով ջրի մեջ, հավասարապես տարածվում են դրա մոլեկուլների միջև՝ գունավորելով այն։ 90-ականների բոլոր հայտնի լուծվող ըմպելիքների ակցիան կառուցված է նույն սկզբունքով. Yupi, Invite, Zuko:

Գազերի փոխներթափանցում

Շարունակելով խոհանոցում փնտրել խնդրո առարկա գործընթացի դրսևորումները՝ արժե հոտոտել և վայելել ճաշասեղանի թարմ ծաղիկների փունջից բխող հաճելի բուրմունքը: Ինչու՞ է դա տեղի ունենում:

Հոտ կրող ատոմներն ու մոլեկուլները ակտիվ շարժման մեջ են և արդյունքում խառնվում են արդեն օդում գտնվող մասնիկների հետ և բավականին հավասարաչափ ցրված են սենյակի ծավալով։

Սա գազերում դիֆուզիայի դրսեւորում է։ Հարկ է նշել, որ քննարկվող գործընթացին է պատկանում նաև օդի բուն ներշնչումը, ինչպես նաև խոհանոցում թարմ եփած բորշի ախորժելի հոտը։

Դիֆուզիոն պինդ մարմիններում

Խոհանոցի սեղանը ծաղիկներով պատված է վառ դեղին սփռոցով։ Նա նմանատիպ երանգ է ստացել շնորհիվպինդ մարմինների միջով անցնելու դիֆուզիայի կարողություն։

Կտավին միատեսակ երանգ տալու գործընթացը տեղի է ունենում մի քանի փուլով, հետևյալ կերպ.

1. Դեղին պիգմենտի մասնիկներ, որոնք ցրված են թանաքի բաքում դեպի թելքավոր նյութը:
2. Այնուհետև դրանք կլանվեցին ներկված գործվածքի արտաքին մակերեսով:
3. Հաջորդ քայլը կրկին ներկի տարածումն էր, բայց այս անգամ ցանցի մանրաթելերի մեջ:
4. Եզրափակում գործվածքը ամրացրեց պիգմենտի մասնիկները՝ այդպիսով դառնալով գունավոր։

Գազերի դիֆուզիան մետաղներում

Սովորաբար, խոսելով այս գործընթացի մասին, դիտարկենք նյութերի փոխազդեցությունը նույն ագրեգացման վիճակում: Օրինակ՝ դիֆուզիոն պինդ, պինդ մարմիններում։ Այս երեւույթն ապացուցելու համար փորձ է կատարվում միմյանց դեմ սեղմված երկու մետաղական թիթեղներով (ոսկի և կապար)։ Նրանց մոլեկուլների փոխներթափանցումը բավականին երկար ժամանակ է պահանջում (հինգ տարում մեկ միլիմետր)։ Այս գործընթացն օգտագործվում է անսովոր զարդեր պատրաստելու համար։

Սակայն տարբեր ագրեգատային վիճակներում գտնվող միացությունները նույնպես ունակ են ցրվելու։ Օրինակ՝ կա գազերի դիֆուզիոն պինդ մարմիններում։

Փորձերի ընթացքում ապացուցվել է, որ նման գործընթաց տեղի է ունենում ատոմային վիճակում։ Այն ակտիվացնելու համար, որպես կանոն, անհրաժեշտ է ջերմաստիճանի և ճնշման զգալի աճ։

Պինդ մարմիններում նման գազային դիֆուզիայի օրինակ է ջրածնի կոռոզիան: Այն դրսևորվում է այն իրավիճակներում, երբՋրածնի ատոմները (Н₂), որոնք առաջացել են ինչ-որ քիմիական ռեակցիայի ընթացքում բարձր ջերմաստիճանների ազդեցության տակ (200-ից մինչև 650 աստիճան Ցելսիուս) թափանցում են մետաղի կառուցվածքային մասնիկների միջև։

Բացի ջրածնից, թթվածնի և այլ գազերի դիֆուզիոն կարող է տեղի ունենալ նաև պինդ մարմիններում: Աչքի համար աննկատ այս գործընթացը մեծ վնաս է հասցնում, քանի որ դրա պատճառով մետաղական կառույցները կարող են փլուզվել։

Հեղուկների դիֆուզիա մետաղներում

Սակայն ոչ միայն գազի մոլեկուլները կարող են թափանցել պինդ մարմիններ, այլ նաև հեղուկներ։ Ինչպես ջրածնի դեպքում, ամենից հաճախ այս գործընթացը հանգեցնում է կոռոզիայի (երբ խոսքը վերաբերում է մետաղներին):

Պինդ մարմիններում հեղուկի դիֆուզիայի դասական օրինակ է մետաղների կոռոզիան ջրի (H₂O) կամ էլեկտրոլիտային լուծույթների ազդեցության տակ: Շատերի համար այս գործընթացը ավելի ծանոթ է ժանգոտման անվան տակ: Ի տարբերություն ջրածնային կոռոզիայի, գործնականում այն պետք է շատ ավելի հաճախ հանդիպի:

Դիֆուզիայի արագացման պայմաններ. Դիֆուզիայի գործակից

Հաշվի առնելով այն նյութերը, որոնցում կարող է տեղի ունենալ քննարկվող գործընթացը, արժե ծանոթանալ դրա առաջացման պայմաններին:

Առաջին հերթին, դիֆուզիայի արագությունը կախված է փոխազդող նյութերի ագրեգատային վիճակից: Որքան մեծ է նյութի խտությունը, որում տեղի է ունենում ռեակցիան, այնքան դանդաղ է դրա արագությունը։

Այս առումով հեղուկների և գազերի մեջ դիֆուզիան միշտ ավելի ակտիվ կլինի, քան պինդ մարմիններում:

Օրինակ, եթե բյուրեղներըկալիումի պերմանգանատ KMnO_{4 (}կալիումի պերմանգանատ₎ նետեք ջրի մեջ, կտան գեղեցիկ ազնվամորու գույն մի քանի րոպեից Գունավոր. Այնուամենայնիվ, եթե KMnO₄ բյուրեղներով ցողեք սառույցի մի կտորի վրա և ամբողջը դրեք սառնարանում, մի քանի ժամ հետո կալիումի պերմանգանատը կ չկարողանալ ամբողջովին գունավորել սառեցված H ₂O.

Նախորդ օրինակից կարելի է ևս մեկ եզրակացություն անել դիֆուզիայի պայմանների վերաբերյալ: Բացի ագրեգացման վիճակից, ջերմաստիճանը նույնպես ազդում է մասնիկների փոխներթափանցման արագության վրա։

Քննարկվող գործընթացի կախվածությունը դրանից դիտարկելու համար արժե ծանոթանալ այնպիսի հասկացության, ինչպիսին է դիֆուզիոն գործակիցը։ Սա նրա արագության քանակական բնութագրի անվանումն է։

Բանաձևերի մեծ մասում այն նշվում է մեծ լատիներեն D տառով, իսկ SI համակարգում այն չափվում է քառակուսի մետր վայրկյանում (մ²/վ), երբեմն՝ սանտիմետր/վրկ (սմ^2): /մ).

Դիֆուզիայի գործակիցը հավասար է նյութի քանակին, որը ցրված է միավորի մակերեսով մեկ միավորի ընթացքում, պայմանով, որ երկու մակերևույթների խտության տարբերությունը (գտնվում է միավորի երկարությանը հավասար հեռավորության վրա) հավասար է մեկի: Չափորոշիչները, որոնք որոշում են D-ն այն նյութի հատկություններն են, որոնցում տեղի է ունենում մասնիկների ցրման պրոցեսը, և դրանց տեսակը:

Գործակիցի կախվածությունը ջերմաստիճանից կարելի է նկարագրել օգտագործելով Արենիուսի հավասարումը. D=D_0exp(-E/TR).

Հաշվարկված բանաձևում E-ն գործընթացն ակտիվացնելու համար պահանջվող նվազագույն էներգիան է. T - ջերմաստիճանը (չափվում է Կելվինով, ոչ Ցելսիուսով); R-իդեալական գազի բնորոշ գազի հաստատուն։

Բացի վերը նշված բոլորից, պինդ մարմիններում, գազերում հեղուկների դիֆուզիայի արագության վրա ազդում են ճնշումը և ճառագայթումը (ինդուկտիվ կամ բարձր հաճախականությամբ): Բացի այդ, շատ բան կախված է կատալիտիկ նյութի առկայությունից, հաճախ այն գործում է որպես մասնիկների ակտիվ ցրման սկիզբ:

Դիֆուզիոն հավասարում

Այս երևույթը մասնակի դիֆերենցիալ հավասարման որոշակի ձև է:

Նրա նպատակն է գտնել նյութի կոնցենտրացիայի կախվածությունը տարածության (որում այն ցրվում է) չափից և կոորդինատներից, ինչպես նաև ժամանակից: Այս դեպքում տվյալ գործակիցը բնութագրում է միջավայրի թափանցելիությունը ռեակցիայի համար։

Ամենից հաճախ դիֆուզիոն հավասարումը գրվում է հետևյալ կերպ. ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)]։

Դրանում φ (t և r) ցրող նյութի խտությունն է r կետում t ժամանակում։ D (φ, r) - ընդհանրացված դիֆուզիոն գործակիցը φ խտության վրա r կետում։

∇ - վեկտորային դիֆերենցիալ օպերատոր, որի բաղադրիչները մասնակի ածանցյալներ են կոորդինատներում:

Երբ դիֆուզիոն գործակիցը կախված է խտությունից, հավասարումը ոչ գծային է: Երբ ոչ՝ գծային։

Հաշվի առնելով դիֆուզիայի սահմանումը և այս գործընթացի առանձնահատկությունները տարբեր միջավայրերում՝ կարելի է նշել, որ այն ունի և՛ դրական, և՛ բացասական կողմեր։