Диффузия в домашних опытах. Диффузия
Водяной пар возникает при кипении воды и при испарении при различной температуре. Для перехода воды в газообразное состояние из окружающей среды поглощается тепло в количестве около 600 ккал/кг. Водяной пар в воздухе не заметен («облака водяного пара» представляют собой парящие в воздухе водяные капли).
В воздухе может находиться лишь определенное количество водяною пара: чем теплее воздух, тем больше возможное содержание водяных паров. Процентное содержание пара в воздухе фактически определяет показатель относительная влажность воздуха. При снижении температуры воздуха и сохраняющемся без изменения содержании водяных паров возрастает относительная влажность воздуха.
Пример:
содержание водяных паров в воздухе 125,2 кг/м2.
|
Если в этом примере и дальше понижать температуру воздуха, то водяные пары конденсируются в жидкость. Температура, при которой относительная влажность воздуха достигает 100%, называется точкой росы смеси воздуха с водяными парами.
Атмосферное давление воздуха 1 ат равно 10000 кг/м2; в смеси воздуха с водяными парами часть давления вызывается водяными парами. Такой показатель целесообразно применять для характеристики содержания водяных паров в воздухе, так как при этом более наглядны возможности диффундирования (0,06 г воды/1 кг воздуха = 1 кг/м2). Поэтому разность в давлении водяных паров (рис, 3) отражает только различное содержание молекул водяных паров при одинаковом полном давлении воздушной смеси; в противоположность этому абсолютная разность давления как в паровом котле (рис. 4), например, в пузырях кровельных ковров.
Различное давление водяных паров может выравниваться за счет диффузии через конструктивные элементы и их слои. Сопротивление диффундированию характеризуется коэффициентом μd (см, м). Если учитывается воздушная прослойка, то коэффициент сопротивления диффузии определяется по таблице «Термическое сопротивление и коэффициенты диффузионного сопротивления строительных материалов».
При диффундировании внутри строительных конструкций возникают участки с пониженным давлением. Аналогично распределению температуры в конструкции распределяется давление в отдельных слоях в соответствии с их долей в общем коэффициенте сопротивления диффундированию. Воздушные прослойки малой толщины (снаружи 0,5, внутри 2 см) можно не учитывать.
Пример.
| Внутри 20°/50% = Н 9 кг/м2; снаружи 15°/80% = 14кг/м2. Стена толщиной 24см: μd = 4,5 х 24 = 108 см. Штукатурка изнутри 1,5 см: μd = 6 х 15 = 6 см | Разность 119 - 14 = 105кг/м294,7% х 105 = 9,95кг/м25,3% х 105 = 5,5 кг/м2 |
| 114 см | 100% |
Примеры диффузии.
Для предотвращения разрушения строительных конструкций необходимо исключить конденсацию в них влаги. Конденсация возникает там, где фактическое содержание водяных паров угрожает превысить количество, соответствующее температуре. В примерах на рис. 5 -10 конструкция с граничными воздушными слоями представлена в масштабе, пропорциональном их теплоизоляции. Кривая рядом с прямолинейным изменением температуры показывает максимально возможное давление водяных паров.
Для предотвращения разрушений важно учитывать: достаточную теплоизоляцию. В примере (рис. 5) показана однослойная конструкция без конденсации. В примере (рис. 6) возникает конденсат на внутренней стороне конструкции, так как доля граничного воздушного слоя слишком велика. Граничный воздушный слой не должен превышать определенной величины х в сопротивлении теплопередаче 1/к (табл. 2);
правильное расположение слоев. Диффузионная кривая должна иметь внутри по возможности крутой наклон, а снаружи быть плоской (рис. 7). В противном случае возникает конденсация (рис. 8). Уклон характеризуется коэффициентом μd: внутри высокий коэффициент сопротивления диффундированию, хорошая теплопроводность = высокий коэффициент μd; снаружи низкий коэффициент сопротивления диффундированию, плохая теплопроводность = низкий коэффициент μd;
правильное расположение пароизоляции. Если пароизоляционный спой находится снаружи, то там падает давление водяных паров и в результате выпадает конденсат (рис. 9).
Чтобы этого избежать, слой пароизоляции должен располагаться внутри, причём слои, находящиеся перед ним, не должны превышать величины х в суммарном сопротивлении теплопередаче 1/k (табл. 2).
Таблица 1. Давление водяных паров в воздухе.
|
Таблица 2. Максимальная доля граничного воздушного слоя до пароизоляции (х).
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. Содержание водяных паров в воздухе при различной относительной влажности воздуха. 2. В соответствии с распределением температуры в строительной конструкции проходит кривая максимального содержания водяных паров в воздухе, диффундирующем через конструкцию - кривая давления насыщения. |
|
 |
3. Относительная разность давления пара с двух сторон строительной конструкции. 4. Абсолютная разность давления пара с двух сторон строительной конструкции. |
 |
5. Давление водяных паров остаётся ниже максимально возможного - конденсата нет. 6. Граничный воздушный слой слишком велик из-за недостаточной теплоизоляции: конденсат на конструкции и внутри неё: X -максимально допустимая толщина граничного воздушного слоя. |
 |
7. Коэффициент, характеризующий расположение слоёв: крутизна кривой снижается к наружной стороне - хорошо. 8. Неправильное расположение слоёв: коэффициент и крутизна кривой растут к наружной стороне, в результате чего внутри конструкции выпадает конденсат. |
 |
9. Пароизоляция с холодной стороны: конденсат внутри конструкции. 10. Дополнительная пароизаляция с тёплой стороны предотвращает образование конденсата, X = максимальная теплоизоляция с внутренней стороны пароизоляции. |
Эрнст Нойферт. «Строительное проектирование»/ Ernst Neufert «BAUENTWURFSLEHRE»
Начнем с того, что жидкость является промежуточным агрегатным состоянием. При критической точке кипения она схожа с газами, а при низких температурах проявляются характеристики, аналогичные твердому телу. У жидкости нет идеальной модели, что существенно усложняет описание ее равновесных термодинамических свойств, температуры замерзания, вязкости, диффузии, теплопроводности, поверхностного натяжения, энтропии, энтальпии.
Определение
Что такое диффузия? Это растекание, распространение, передвижение частиц среды, которое приводит к переносу вещества, установлению равновесных концентраций. При отсутствии внешних воздействий данный процесс определяется тепловым движением частичек. В этом случае процесс диффузии связан с концентрацией прямо пропорциональной зависимостью. Диффузионный поток будет меняться аналогично
Разновидности
Если диффузия в жидкости протекает при изменении температур, ее называют термодиффузией, в электрическом поле - электродиффузией.
Процесс движения частиц больших размеров в жидкости либо газе происходит под законам броуновского движения.
Особенности протекания
Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах протекает с разной скоростью. Из-за отличий в характере теплового движения частиц в различных средах, максимальную скорость процесс имеет в газах, а минимальный показатель - в твердых телах.
Траекторией движения частицы является ломаная линия, поскольку периодически меняется направление и скорость. Из-за неупорядоченности движения наблюдается постепенное удаление частицы от первоначального положения. Смещение ее по прямой линии значительно короче того пути, который совершается по ломаной траектории.
Закон Фика
Диффузия в жидкости подчиняется двум законам Фика:
- плотность диффузионного потока прямо пропорциональна концентрации с коэффициентом диффузии;
- скорость изменения плотности потока диффузии прямо пропорциональна скорости изменения концентрации и имеет обратное направление.
Диффузия в жидкости характеризуется скачками молекул из одного равновесного положения в другое. Каждый такой скачок наблюдается в случае сообщения энергии молекуле в объеме, достаточном для разрыва связи с другими частицами. скачка не превышает расстояния между молекулами.
Рассуждая над тем, что такое диффузия в жидкости, отметим, что процесс зависит от температуры. При ее повышении происходит «разрыхление» структуры жидкости, в результате чего наблюдается резкое увеличение количества перескоков за единицу времени.
Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах имеет некоторые отличительные характеристики. Например, в твердых телах механизм связан с перемещением атомов внутри кристаллической решетки.
Особенности явления
Диффузия в жидкости представляет практический интерес благодаря тому, что он сопровождается выравниванием концентрации вещества в изначально неоднородной среде. С участков, имеющих большую концентрацию, частиц уходит значительно больше.
Эксперименты
Опыты с жидкостями показали, что диффузия имеет особое значение в химической кинетике. Во время протекания на поверхности реагирующих веществ или катализатора данный процесс способствует определению скорости отвода продуктов реакции и добавлению исходных реагентов.
Чем объясняется диффузия в жидкостях? Молекулы растворителя способны проникать через полупрозрачные мембраны, в результате чего возникает осмотическое давление. Это явление нашло применение в химических и физических методах разделения веществ.
Биологические системы
В этом случае модели диффузии можно рассматривать на примере поступления в легкие кислорода воздуха, всасывания из кишечника в кровь продуктов пищеварения, поглощения корневыми волосками минеральных элементов. Диффузия ионов происходит во время генерирования мышечными и нервными клетками биоэлектрических импульсов.
Физическим фактором, который влияет на избирательность накопления в клетках организма определенных элементов, является разная скорость проникновения ионов через мембраны клеток. Этот процесс можно выразить законом Фика, заменив величину коэффициента диффузии показателем проницаемости мембраны, а вместо градиента концентрации использовать разность значений с обеих сторон мембраны. При диффузионном проникновении воды и газов в клетку меняются осмотические показатели давления вне и внутри клетки.
Анализируя, от чего зависит диффузия, отметим, что выделяют несколько видов этого процесса. Простая форма связана со свободным переносом ионов и молекул в сторону градиента их электрохимического потенциала. Например, подобный вариант подходит для тех веществ, у которых молекулы имеют незначительные размеры, например, метиловый спирт, вода.
Ограниченный вариант предполагает слабый перенос вещества. Например, в клетку не способны проникать даже небольшие по размерам частицы.
Страницы истории
Диффузия была открыта во время расцвета древнегреческой культуры. Демокрит и Анаксогор были убеждены в том, что любое вещество состоит из атомов. Разнообразие веществ, распространенных в природе, они объясняли соединениями между собой отдельных атомов. Они допускали, что эти частицы могут смешиваться, образуя новые вещества. Среди основателей молекулярно-кинетической теории, которая объяснила механизм протекания диффузии, особую роль сыграл Михаил Ломоносов. Им было дано определение молекуле, атому, объяснен механизм растворения.
Эксперименты
Опыт с сахаром позволяет понять все особенности диффузии. Если в холодный чай положить кусок сахара, постепенно на дне чашки образуется густой сироп. Он виден невооруженным глазом. Через некоторое время сироп равномерно распределится по всему объему жидкости и перестанет быть виден. Данный процесс протекает самопроизвольно и не предполагает перемешивания компонентов раствора. Аналогично происходит распространение по всему объему комнаты аромата духов.
Приведенные опыты свидетельствуют о том, что диффузия является самопроизвольным процессом проникновения молекул одного вещества в другое. Распространение вещества происходит во все стороны, несмотря на наличие силы тяжести. Подобный процесс является прямым подтверждением постоянного движения молекул вещества.
Так, в приведенном выше примере, осуществляется диффузия молекул сахара и воды, которая сопровождается равномерным распределением молекул органического вещества по всему объему жидкости.
Эксперименты позволяют обнаруживать диффузию не только в жидкостях, но и в газообразных веществах. Например, можно установить на весах емкость с парами эфира. Постепенно чашки придут в равновесие, затем стакан с эфиром окажется тяжелее. В чем причина подобного явления?
С течением времени молекулы эфира смешиваются с частицами воздуха, и в комнате начинает ощущаться специфический запах. В курсе физики средней школы рассматривается эксперимент, в котором учитель растворяет крупинку в воде. Сначала видна четкая траектория движения крупинки, но постепенно весь раствор приобретает равномерный оттенок. На основе проведенного эксперимента педагог объясняет особенности диффузии.
Чтобы выявить факторы, которые влияют на скорость протекания процесса в жидкостях, можно воспользоваться водой разной температуры. В горячей жидкости процесс взаимного перемешивания молекул наблюдается гораздо быстрее, следовательно, существуют прямая зависимость между значением температуры и скоростью протекания диффузии.
Заключение
Опыты, проводимые с газами, жидкостями и позволяют сформулировать законы физики, установить зависимость между отдельными величинами.
Именно в результате экспериментов был установлен механизм взаимного проникновения частиц одного вещества в другое, доказана хаотичность их движения. Опытным путем было выявлено, что быстрее всего происходит диффузия в газообразных веществах. Данный процесс имеет огромное значение для живой природы, используется в науке и технике.
Благодаря этому явлению поддерживается однородный состав земной атмосферы. В противном случае наблюдалось бы расслоение тропосферы на отдельные газообразные вещества, и тяжелый углекислый газ, непригодный для дыхания, находился бы ближе всего к поверхности нашей планеты. К чему бы это привело? Живая природа просто перестала бы существовать.
Велика роль диффузии и в растительном мире. Пышную крону деревьев можно объяснить диффузионным обменом через поверхность листьев. В результате осуществляется не только дыхание, но и питание дерева. В настоящее время в сельском хозяйстве применяется внекорневая подкормка кустарников и деревьев, предполагающая опрыскивание кроны специальными химическими составами.
Именно при диффузии растение из почвы получает питательные вещества. Физиологические процессы, протекающие в живых организмах, также связаны с данным явлением. Например, солевой баланс невозможен без диффузии. Огромное значение подобные процессы играют в снабжении озер и рек кислородом. Газ попадает в глубь водоема именно путем диффузии. Если бы такой процесс отсутствовал, жизнь внутри водоема перестала бы существовать.
Прием лекарственных препаратов, позволяющих человеку защищать себя от возбудителей разных заболеваний и улучшать самочувствие, также основывается на диффузии. Это явление применяется при сварке металлов, получении сахарного сока их свекловичной стружки, приготовлении кондитерских изделий. Сложно найти такую отрасль современной промышленности, где бы не применялась диффузия.
Осмос - диффузия воды через полупроницаемую мембрану, разделяющую два раствора, из меньшей концентрации в большую.[ ...]
В начале третьего периода диффузия воды обычно происходит без особой трудности. Однако по мере высушивания древесины скорость диффузии настолько снижается, что на поверхности древесины образуется сухой слой. Таким образом, главным условием, от которого зависит скорость сушки в третьем периоде, является диффузия воды внутри высушиваемой древесины. По сравнению со значением диффузии, задерживающая роль газовой пленки теперь становится незначительной. Точно так же скорость теплоносителя и парциальное давление водяного пара оказывают на процесс лишь второстепенное влияние.[ ...]
Характер заболевания. Болезнь заключается в диффузии воды из организма в кишечный тракт. Количество этой диффундирующей воды колоссально (порядка 30 л/сут), и поэтому она непрерывно выводится в виде рвоты и жидкого стула. В результате наступает обезвоживание организма, стремительно падает напряженность окислительных процессов, и ткани насыщаются продуктами неполного сгорания и углекислотой. Инкубационный период - порядка трех дней.[ ...]
Осмотическое давление - давление, которое является результатом диффузии воды через мембрану (из меньшей концентрации раствора в большую).[ ...]
Повышение относительного количества подвижных мономерных молекул воды и активности гидроксильных ионов по отношению к водородным, по-видимому, обусловливает ускорение диффузии воды, что сказывается на процессах осмоса, имеющих громадное значение для жизнедеятельности растительных и животных организмов.[ ...]
В других работах исследователи пришли к выводу, что анион сульфогруппы в катионите связывает три молекулы воды . По-видимому, различие результатов в большой мере зависит от различия методов оценки величины гидратации ионизированных групп в ионообменной смоле. Во всяком случае, достаточно точно установлено, что сульфокатиониты в Н+-форме набухают сильнее, чем в солевых формах, тогда как слабокислотные катиониты» которые в Н -форме практически не ионизированы, набухают преимущественно в солевых формах. Слабоосновные аниониты по той же причине набухают в солевых формах также значительно сильнее, чем в ОН -форме . Неиопообменный перенос электролитов навстречу диффузии воды при установлении осмотического равновесия зерен ионита с внешним раствором в разбавленных растворах не оказывает сколько-нибудь существенного влияния на поведение ионообменных смол при обессо-ливании воды или регенерации ионообменных фильтров. С увеличением концентрации кислот и щелочей в регенерационных растворах этот неионообменный перенос электролитов оказывается настолько значительным, что им пренебречь нельзя.[ ...]
Хорошо известно, что в некоторых гидратах имеется только кольцевой или только вакансионный механизм диффузии, не связанный с разупорядоченйем. В этих случаях диффузия наблюдается, как правило, лишь при высоких температурах. В этом кристалле молекулы воды расположены в шестерных зигзагообразных кольцах, как будто вырезанных из структуры льда. Оси всех колец параллельны друг другу, а направления Н-II образуют с осями колец угол, равный 47°. Отсюда по правилам усреднения дипольного взаимодействия можно найти усредненную константу этого взаимодействия - 9 кГц. Измерения показалц, что в дНоптазе диффузия наблюдается лишь при температурах выше +120°С, причем характеристическая частота составляет именно 9 кГц. Для апо-филлита - другого гидратированного силиката - диффузия начинается при 170°С, расчет и опыт дают практически совпадающие значения характеристикой частоты -6,5 кГц. В патролите диффузия воды при +150°С усредняет диполь-дипольное взаимодействие до нуля в полном еогласии с ожидаемым значением ввиду того, что в этом кристалле угол между векторами Н-Н и осью симметрии практически равен магическому.[ ...]
Шампетье и Боннэ утверждали, что происходит избирательное поглощение кислоты хлопком. Казбекар и Ниль обнаружили избирательное поглощение воды целлофаном при набухании в растворах кислоты за счет более быстрой диффузии воды по сравнению с кислотой в пленку. Подробного исследования избирательного поглощения воды и кислоты не проводили.[ ...]
Мембрана (от лат. membrana - перепонка) - тонкая пленка или пластинка, обычно закрепленная по контуру; осмос (от греч. osmos -толчок, давление) - односторонняя диффузия воды через полупроницаемую перегородку (мембрану), отделяющую раствор от чистой воды или раствора меньшей концентрации; ультрафильтрация (от лат. ultra -сверх, за пределами) - разделение растворов и коллоидных систем с помощью полупроницаемых мембран в специальных аппаратах под давлением 0,1 - 0,8 МПа.[ ...]
При температурах свыше 200-250 К спектры ЯМР широкопористых цеолитов резко (в сотни раз) сужаются и приобретают характерную для диффундирующей в кристаллах воды структуру. При этом существенны два факта. Во-первых, ширина суженного спектра Остается постоянной вплоть до температуры дегидратации (200-300°С и более). Это озпачает, что при всех температурах молекула движется по одному и тому же строго заданному структурой кристалла диффузионному пути в точности так же, как в кристаллогидратах. Во-Ьторых, несмотря на низкотемпературную подвижность, сохраняются очень высокие значения темп рату-ры дегидратации. Данная особённость резко отличает цеолиты от кристаллогидратов, в которых дегидратация или плавление редко происходит при температурах заметно выше 100°С. Природа высокотемпературного гидратированного состояния цеолитов прояснилась только после обнаружения «двухфазного» строения цеолитной воды. Оказалось, что диффузия молекул воды в цеолитных каналах не мешает некоторой части этих молекул быть жестко связанной в цеолитных каналах. Например, в мордените, несмотря на начало диффузионного сужения спектра ЯМР при -100°С, даже при +100°С остается около 10% жестко связанной воды (при этом полная дегидратация имеет место лишь при 450°С). Было предположено, что эти жестко связанные молекулы подобно пробкам блокируют цеолитный канал, преграждая путь диффундирующим молекулам. Отсюда естественно выдвинуть изохорическую модель цеолитной воды в замкнутом пространстве каналов. Нагрев повышает давление внутри канала а вместе с давлением растет и температура «плавления» цеолитной воды. В соответствии со сказанным диффузию воды в гидратированных цеолитах можно рассматривать как изохорическое (в замкнутом объеме) плавление. Очевидно также, что эффективность «пробок» в запирании объема каналов связана с их коллективными свойствами, вытекающими из наличия более прочных связей вода-вода в определенных участках цеолитных каналов.[ ...]
Сравнение с опытом одновременно подтверждает и не подтверждает эти ожидания. Но из закономерности почему-то выпадают гидраты хлоридов и бромидов кальция, стронция и бария, в которых, вопреки всему, диффузия воды не обнаруживается вплоть до плавления.[ ...]
Изучена возможность использования ферритов кальция и цинка в грунтовках наряду с противокоррозионными пигментами для замены токсичных и дорогостоящих пигментов на основе свинца и хрома . Грунтовки, содержащие ферриты кальция и цинка, представляют более серьезный барьер для диффузии воды и кислорода, чем покрытия, пигментированные оксидом железа. В ал-кидных красках более эффективным является феррит кальция. Соотношение между инертным пигментом и ферритом кальция в грунтовках составляет 60:40. В хлоркаучуковых красках более эффективен феррит цинка, а соотношение между инертным пигментом и ферритом цинка составляет 80:20-70:30. Отмечается, что защитное действие ферритов кальция и цинка слабее, чем у классических противокоррозионных пигментов.[ ...]
Лучше объясняет механизм отравления живых организмов другая теория, по которой отравление происходит в результате попадания ионов ртути и меди в органы дыхания или пищеварения, в результате чего происходит свертывание белка этих органов и организм погибает. По данным этой теории защитное действие окиси ртути и закиси меди объясняется следующим образом. Вследствие диффузии морской воды в красочную пленку окись ртути и закись меди подвергаются воздействию КаС1, со-держащегося в морской воде. В результате этого воздействия образуется, как было указано выше, соль сложного состава 6МаС1 ЗН СЬ СиС12. Раствор этой соли, содержащий ионы ртути и меди, медленно диффундируя в направлении обратном диффузии воды, создает в непосредственной близости к судну зону, ядовитую для представителей морской фауны, Эта зона становится ядовитой, как было указано выше, уже при незначительном содержании в воде ионов ртути и меди. При таком механизме действия окиси ртути и закиси меди все простейшие животные организмы, попавшие в зону, отравленную ионами ртути и меди, гибнут и к судну могут случайно подойти только отдельные их экземпляры. Сплошное же обрастание может начаться только после значительного обеднения наружного слоя краски ртутью и медью. На практике такое течение процесса обрастания судна и наблюдается - обрастание начинается с поселения отдельных экземпляров молюсков, а сплошное обрастание, значительно менее интенсивное, чем при применении обычной краски, начинается значительно позже, чем в случае окраски судна обычной масляной краской.
Физика — одна из самых интересных, загадочных и в то же время логичных наук. Она объясняет все, что можно объяснить даже то, как чай становится сладким, а суп соленым. Истинный физик сказал бы иначе: так протекает диффузия в жидкостях.
Диффузия
Диффузия — это волшебный процесс проникновения мельчайших частиц одного вещества в межмолекулярные пространства другого. Кстати, такое проникновение взаимно.
Знаете, как это слово переводится с латыни? Растекание, распространение.
Как протекает диффузия в жидкостях
Диффузия может наблюдаться при взаимодействии любых веществ: жидких, газообразных и твердых.
Чтобы узнать, как протекает диффузия в жидкостях, можно попробовать бросить несколько крупинок краски, молотого грифеля или, например, марганцовки в прозрачный сосуд с чистой водой. Лучше, если сосуд этот будет высоким. Что мы увидим? Сначала кристаллики под действием силы тяжести опустятся на дно, но через некоторое время вокруг них появится ореол окрашенной воды, который будет растекаться и растекаться. Если не подходить к данным сосудам хотя бы несколько недель, мы обнаружим, что вода окрасится практически полностью.
Еще один наглядный пример. Для того чтобы сахар или соль растворились быстрее, их нужно размешать в воде. Но если этого не сделать, сахар или соль самостоятельно растворятся через некоторое время: чай или компот станут сладкими, а суп или рассол - солеными.
Как протекает диффузия в жидкостях: опыт
Для того чтобы определить, как скорость диффузии зависит от температуры вещества, можно провести небольшой, но весьма показательный опыт.
Возьмем два стакана одинакового объема: один — с холодной водой, другой — с горячей. Насыпаем в оба стакана равное количество растворимого порошка (например, кофе или какао). В одном из сосудов порошок начнет растворяться интенсивнее. Знаете, в каком именно? Догадаетесь? Там, где температура воды выше! Ведь диффузия протекает в ходе беспорядочного хаотичного движения молекул, а при высоких температурах это движение происходит намного быстрее.
Диффузия может происходить в любых веществах, различается лишь время протекания этого явления. Самая высокая скорость — в газах. Именно поэтому нельзя хранить в холодильнике сливочное масло рядом с селедкой или салом, натертым мелко порубленным чесноком. Далее следуют жидкости (от меньшей плотности к наибольшей). И самая медленная — диффузия твердых тел. Хотя на первый взгляд диффузии в твердых телах не бывает.
Цель работы: доказать, что диффузия зависит от температуры; oo рассмотреть примеры диффузии в домашних опытах; oo убедиться, что диффузия в разных веществах происходит по- разному.
Актуальность: Диффузия доказывает, что тела состоят из молекул, которые находятся в беспорядочном движении; диффузия имеет большое значение в жизни человека, животных и растений, а также в технике
Что такое диффузия?
Диффузия- это самопроизвольное перемешивание соприкасающихся веществ, происходящее вследствие хаотического (беспорядочного)движения молекул.
Еще одно определение: диффузия diffusio - распространение, растекание, рассеивание) - процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.
Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной).
Диффузия происходит в жидкостях, твердых телах и газах. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т. к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твердого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896г. началось изучение проблемы.
Английский металлург Вильям Робертс - Аустин в простом эксперименте измерил диффузию золота в свинце. Он наплавил тонкий диск золота на конец цилиндра из чистого свинца длиной в 1 дюйм (2,45 см), поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 200С, и держал его в печи 10 дней. Оказалось, что к> через весь цилиндр прошло вполне измеримое количество золота. Это еще раз доказывает. что скорость диффузии очень быстро возрастает с повышением температуры. Например, цинк диффундирует в медь при 300С почти в 100 миллионов раз быстрее, чем при комнатной температуре.
Диффузия молекул протекает очень медленно. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным.
Зависит ли диффузия от температуры?
Явление диффузии можно пронаблюдать дома при заварке чая. При проведение опыта были использованы два стакана с холодной и горячей водой. При заваривании чая было выяснено, что в стакане с горячей водой процесс заваривания происходил быстрее.
В домашних условиях явление диффузии проявляется всюду. Когда мама на кухне режет лук, готовит курицу, варит обед или готовит маринад для заливки овощей, ароматы из кухни распространяется по всей квартире.
Я исследовал зависимость скорости распространения аромата духов в комнате от температуры: из одной части комнаты в другую аромат духов распространился за 20,53 сек. ; затем я разбрызгал духи около настольной лампы, время - 14,03 сек.
Вывод: Скорость диффузии повышается с температурой, так как увеличивается скорость движения молекул.
Диффузия вокруг нас.
Когда лучи солнца попадают в комнату, то можно наблюдать своеобразный >.
По этому поводу Лукреций Кар писал:
Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает
В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,
Множество тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,
Мечутся взад и вперёд в лучистом сиянии света.
Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах,
В схватки бросаются вдруг по отрядам, не зная покоя.
В комнатных пылинках благодаря диффузии содержатся частички плесени, молекулы тяжелых металлов, которые содержатся в мебели, отделочных материалах и других квартирных >. С легкостью справляются с токсическими веществами, растворенными в воздухе комнат, комнатные цветы: нефролепис, диффенбахия, молочай, плющ, пеларгония,сансевиерия и т. д. И все это происходит благодаря диффузии
Всем известный столетник (алоэ) способен снизить количество вредных микробов в 4раза, а кактус- опунция в 6-7 раз уменьшает численность плесневых грибов в воздухе. Табачный дым, покрытия из линолеума приносят вред нашему здоровью. Комнатные растения (фикус Бенджамина, традесканция, хлорофитум) могут поглощать и разлагать токсические вещества.
Исследование диффузии в овощах.
Опыт с яблоками
Были использованы яблоки разных сортов: >, >, >.
У яблок сорта > проникновение марганца было медленнее. Этот сорт яблок - зимний, возможно он менее сочный, а их структура более плотная.
Опыт с овощами
Для проведения опыта использованы следующие овощи: репа, морковь, кабачок, картофель
Через три часа было обнаружено, что проникновение марганца в кабачке, картофеле было больше, чем в репе и моркови. Репа и морковь имеют структуру более плотную, и глубина проникновения частиц марганца была меньше.
Диффузия и безопасность
Горючий газ-пропан, которым мы пользуемся дома для приготовления пищи, не имеет ни цвета. Поэтому трудно было бы сразу заметить утечку газа. А при утечке за счет диффузии газ распространяется по всему помещению. и мы ощущаем эту утечку по запаху. Между тем при определенном соотношении газа с воздухом в закрытом помещении образуется смесь, которая может взорваться. Например, от зажжённой спички. Газ может вызвать и отравление людей.
Выводы: oo При диффузии частицы одного вещества проникают в промежутки между частицами другого вещества, и вещества перемешиваются.
oo Скорость протекания диффузии увеличивается с ростом температуры.
oo Диффузия имеет большое значение в процессах жизнедеятельности человека, животных и растений.
