Ας ξεκινήσουμε με το γεγονός ότι το υγρό είναι μια ενδιάμεση κατάσταση συσσωμάτωσης. Στο κρίσιμο σημείο βρασμού είναι παρόμοιο με τα αέρια και σε χαμηλές θερμοκρασίες εμφανίζονται χαρακτηριστικά παρόμοια με ένα στερεό. Ένα υγρό δεν έχει ιδανικό μοντέλο, γεγονός που περιπλέκει σημαντικά την περιγραφή των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων ισορροπίας, του σημείου πήξης, του ιξώδους, της διάχυσης, της θερμικής αγωγιμότητας, της επιφανειακής τάσης, της εντροπίας, της ενθαλπίας.
Ορισμός
Τι είναι η διάχυση; Αυτή είναι η εξάπλωση, η κατανομή, η κίνηση των σωματιδίων του μέσου, που οδηγεί στη μεταφορά της ύλης, στη δημιουργία συγκεντρώσεων ισορροπίας. Ελλείψει εξωτερικών επιρροών, αυτή η διαδικασία καθορίζεται από τη θερμική κίνηση των σωματιδίων. Σε αυτή την περίπτωση, η διαδικασία διάχυσης είναι ευθέως ανάλογη με τη συγκέντρωση. Η ροή διάχυσης θα αλλάξει παρόμοια με τη βαθμίδα συγκέντρωσης.
Ποικιλίες
Αν η διάχυση σε ένα υγρό προχωρά με μεταβολή της θερμοκρασίας, ονομάζεται θερμική διάχυση, σε ηλεκτρικό πεδίο - ηλεκτροδιάχυση.
Η διαδικασία κίνησης μεγάλων σωματιδίων σε ένα υγρό ή αέριο συμβαίνει κάτω απόνόμοι της κίνησης Brown.
χαρακτηριστικά ροής
Η διάχυση σε αέρια, υγρά και στερεά γίνεται με διαφορετικές ταχύτητες. Λόγω των διαφορών στη φύση της θερμικής κίνησης των σωματιδίων σε διαφορετικά μέσα, η διαδικασία έχει τη μέγιστη ταχύτητα στα αέρια και την ελάχιστη ταχύτητα - στα στερεά.
Η τροχιά του σωματιδίου είναι μια διακεκομμένη γραμμή, αφού η κατεύθυνση και η ταχύτητα αλλάζουν περιοδικά. Λόγω της διαταραγμένης κίνησης, παρατηρείται σταδιακή απομάκρυνση του σωματιδίου από την αρχική του θέση. Η μετατόπισή του κατά μήκος μιας ευθείας γραμμής είναι πολύ μικρότερη από τη διαδρομή που λαμβάνει χώρα κατά μήκος μιας διακεκομμένης διαδρομής.
Νόμος του Φικ
Η διάχυση σε ένα υγρό υπακούει σε δύο νόμους του Fick:
- η πυκνότητα ροής διάχυσης είναι ευθέως ανάλογη της συγκέντρωσης με τον συντελεστή διάχυσης;
- Ο ρυθμός μεταβολής στην πυκνότητα ροής διάχυσης είναι ευθέως ανάλογος με τον ρυθμό μεταβολής της συγκέντρωσης και έχει την αντίθετη κατεύθυνση.
Η διάχυση σε ένα υγρό χαρακτηρίζεται από άλματα μορίων από τη μια θέση ισορροπίας στην άλλη. Κάθε τέτοιο άλμα παρατηρείται όταν προσδίδεται ενέργεια στο μόριο σε όγκο επαρκή για να σπάσει τον δεσμό με άλλα σωματίδια. Το μέσο άλμα δεν υπερβαίνει την απόσταση μεταξύ των μορίων.
Όταν συζητάμε τι είναι η διάχυση σε ένα υγρό, σημειώνουμε ότι η διαδικασία εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Με την αύξησή του, εμφανίζεται η «χαλάρωση» της υγρής δομής, με αποτέλεσμα να υπάρχει απότομη αύξηση τουο αριθμός των αλμάτων ανά μονάδα χρόνου.
Η διάχυση σε αέρια, υγρά και στερεά έχει κάποια διακριτικά χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, στα στερεά, ο μηχανισμός σχετίζεται με την κίνηση των ατόμων μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα.
Χαρακτηριστικά του φαινομένου
Η διάχυση σε ένα υγρό έχει πρακτικό ενδιαφέρον λόγω του γεγονότος ότι συνοδεύεται από την εξίσωση της συγκέντρωσης μιας ουσίας σε ένα αρχικά ανομοιογενές μέσο. Σημαντικά περισσότερα σωματίδια διαφεύγουν από περιοχές με υψηλή συγκέντρωση.
Πειράματα
Πειράματα με υγρά έδειξαν ότι η διάχυση έχει ιδιαίτερη σημασία στη χημική κινητική. Κατά τη διάρκεια μιας χημικής διεργασίας στην επιφάνεια των αντιδρώντων ή ενός καταλύτη, αυτή η διαδικασία συμβάλλει στον προσδιορισμό του ρυθμού απομάκρυνσης των προϊόντων αντίδρασης και στην προσθήκη αρχικών αντιδραστηρίων.
Τι εξηγεί τη διάχυση στα υγρά; Τα μόρια του διαλύτη είναι σε θέση να διεισδύσουν μέσω ημιδιαφανών μεμβρανών, με αποτέλεσμα μια οσμωτική πίεση. Αυτό το φαινόμενο έχει βρει εφαρμογή σε χημικές και φυσικές μεθόδους για τον διαχωρισμό ουσιών.
Βιολογικά συστήματα
Σε αυτήν την περίπτωση, τα μοντέλα διάχυσης μπορούν να ληφθούν υπόψη στο παράδειγμα της εισόδου οξυγόνου του αέρα στους πνεύμονες, της απορρόφησης των πεπτικών προϊόντων από το έντερο στο αίμα, της απορρόφησης των μεταλλικών στοιχείων από τις τρίχες της ρίζας. Η διάχυση των ιόντων συμβαίνει κατά τη δημιουργία βιοηλεκτρικών ερεθισμάτων από μυϊκά και νευρικά κύτταρα.
Φυσικός παράγοντας που επηρεάζειη επιλεκτικότητα της συσσώρευσης στα κύτταρα του σώματος ορισμένων στοιχείων, είναι ο διαφορετικός ρυθμός διείσδυσης των ιόντων μέσω των κυτταρικών μεμβρανών. Αυτή η διαδικασία μπορεί να εκφραστεί με το νόμο του Fick, αντικαθιστώντας την τιμή του συντελεστή διάχυσης με τη διαπερατότητα της μεμβράνης και αντί για την κλίση συγκέντρωσης, χρησιμοποιήστε τη διαφορά στις τιμές και στις δύο πλευρές της μεμβράνης. Με τη διείσδυση της διάχυσης του νερού και των αερίων στο κύτταρο, οι δείκτες οσμωτικής πίεσης εκτός και εντός του κυττάρου αλλάζουν.
Αναλύοντας από τι εξαρτάται η διάχυση, σημειώνουμε ότι υπάρχουν διάφοροι τύποι αυτής της διαδικασίας. Η απλή μορφή σχετίζεται με την ελεύθερη μεταφορά ιόντων και μορίων προς τη βαθμίδα του ηλεκτροχημικού δυναμικού τους. Για παράδειγμα, αυτή η επιλογή είναι κατάλληλη για εκείνες τις ουσίες στις οποίες τα μόρια είναι μικρού μεγέθους, για παράδειγμα, μεθυλική αλκοόλη, νερό.
Περιορισμένη παραλλαγή προϋποθέτει μια ασθενή μεταφορά ύλης. Για παράδειγμα, ακόμη και μικρά σωματίδια δεν μπορούν να διεισδύσουν σε ένα κύτταρο.
Σελίδες Ιστορίας
Η διάχυση ανακαλύφθηκε κατά την ακμή του αρχαίου ελληνικού πολιτισμού. Ο Δημόκριτος και ο Αναξογόρας ήταν πεπεισμένοι ότι κάθε ουσία αποτελείται από άτομα. Εξήγησαν την ποικιλία των ουσιών που είναι κοινές στη φύση από τις συνδέσεις μεταξύ μεμονωμένων ατόμων. Υπέθεσαν ότι αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να αναμειχθούν για να σχηματίσουν νέες ουσίες. Μεταξύ των ιδρυτών της μοριακής-κινητικής θεωρίας, η οποία εξήγησε τον μηχανισμό της διάχυσης, ο Μιχαήλ Λομονόσοφ έπαιξε ιδιαίτερο ρόλο. Έδωσαν έναν ορισμό για ένα μόριο, ένα άτομο και εξήγησαν τον μηχανισμό της διάλυσης.
Πειράματα
Η εμπειρία με τη ζάχαρη σάς επιτρέπει να κατανοήσετε όλα τα χαρακτηριστικά της διάχυσης. Αν βάλετε ένα κομμάτι ζάχαρη σε κρύο τσάι, θα σχηματιστεί σταδιακά ένα παχύρρευστο σιρόπι στον πάτο του φλιτζανιού. Είναι ορατό με γυμνό μάτι. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, το σιρόπι θα κατανεμηθεί ομοιόμορφα σε όλο τον όγκο του υγρού και δεν θα είναι πλέον ορατό. Αυτή η διαδικασία προχωρά αυθόρμητα και δεν περιλαμβάνει ανάμειξη των συστατικών του διαλύματος. Ομοίως, το άρωμα του αρώματος απλώνεται σε όλο το δωμάτιο.
Τα παραπάνω πειράματα δείχνουν ότι η διάχυση είναι μια αυθόρμητη διαδικασία διείσδυσης μορίων μιας ουσίας σε μια άλλη. Η εξάπλωση της ύλης συμβαίνει προς όλες τις κατευθύνσεις, παρά την παρουσία της βαρύτητας. Μια τέτοια διαδικασία είναι μια άμεση επιβεβαίωση της συνεχούς κίνησης των μορίων της ύλης.
Έτσι, στο παραπάνω παράδειγμα, πραγματοποιείται η διάχυση μορίων ζάχαρης και νερού, η οποία συνοδεύεται από ομοιόμορφη κατανομή των μορίων οργανικής ύλης σε όλο τον όγκο του υγρού.
Τα πειράματα καθιστούν δυνατή την ανίχνευση της διάχυσης όχι μόνο σε υγρά, αλλά και σε αέριες ουσίες. Για παράδειγμα, μπορείτε να εγκαταστήσετε ένα δοχείο με ατμό αιθέρα στη ζυγαριά. Σταδιακά, τα κύπελλα θα έρθουν σε ισορροπία, τότε το ποτήρι του αιθέρα θα είναι βαρύτερο. Ποιος είναι ο λόγος για αυτό το φαινόμενο;
Με την πάροδο του χρόνου, τα μόρια του αιθέρα αναμειγνύονται με τα σωματίδια του αέρα και μια συγκεκριμένη μυρωδιά αρχίζει να αισθάνεται στο δωμάτιο. Σε ένα μάθημα φυσικής γυμνασίου, εξετάζεται ένα πείραμα στο οποίο ένας δάσκαλος διαλύει έναν κόκκο υπερμαγγανικού καλίου (υπερμαγγανικό κάλιο) σε νερό. Αρχικά, είναι ορατή μια σαφής τροχιά κίνησης κόκκων,αλλά σταδιακά όλο το διάλυμα αποκτά ομοιόμορφη απόχρωση. Με βάση το πείραμα, ο δάσκαλος εξηγεί τα χαρακτηριστικά της διάχυσης.
Για να προσδιορίσετε παράγοντες που επηρεάζουν την ταχύτητα της διαδικασίας στα υγρά, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε νερό διαφορετικών θερμοκρασιών. Σε ένα ζεστό υγρό, η διαδικασία αμοιβαίας ανάμειξης των μορίων παρατηρείται πολύ πιο γρήγορα, επομένως, υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ της τιμής θερμοκρασίας και του ρυθμού διάχυσης.
Συμπέρασμα
Πειράματα που έγιναν με αέρια, υγρά και στερεά καθιστούν δυνατή τη διατύπωση των νόμων της φυσικής, τον καθορισμό της σχέσης μεταξύ μεμονωμένων μεγεθών.
Σαν αποτέλεσμα των πειραμάτων καθιερώθηκε ο μηχανισμός αμοιβαίας διείσδυσης σωματιδίων μιας ουσίας σε μια άλλη, αποδείχθηκε η χαοτική φύση της κίνησής τους. Εμπειρικά, βρέθηκε ότι η διάχυση συμβαίνει ταχύτερα σε αέριες ουσίες. Αυτή η διαδικασία έχει μεγάλη σημασία για την άγρια ζωή, χρησιμοποιείται στην επιστήμη και την τεχνολογία.
Χάρη σε αυτό το φαινόμενο, διατηρείται η ομοιογενής σύνθεση της ατμόσφαιρας της γης. Διαφορετικά, θα παρατηρούνταν η διαστρωμάτωση της τροπόσφαιρας σε ξεχωριστές αέριες ουσίες και το βαρύ διοξείδιο του άνθρακα, ακατάλληλο για αναπνοή, θα ήταν πιο κοντά στην επιφάνεια του πλανήτη μας. Σε τι θα οδηγούσε; Η άγρια ζωή απλώς θα έπαυε να υπάρχει.
Ο ρόλος της διάχυσης στον φυτικό κόσμο είναι επίσης μεγάλος. Το πλούσιο στέμμα των δέντρων μπορεί να εξηγηθεί από την ανταλλαγή διάχυσης μέσω της επιφάνειας των φύλλων. Ως αποτέλεσμα, δεν πραγματοποιείται μόνο η αναπνοή, αλλά και η διατροφή του δέντρου. Επί του παρόντος στη γεωργίαΧρησιμοποιείται διαφυλλική σίτιση θάμνων και δέντρων, η οποία περιλαμβάνει ψεκασμό της κόμης με ειδικές χημικές ενώσεις.
Είναι κατά τη διάχυση που το φυτό λαμβάνει θρεπτικά συστατικά από το έδαφος. Φυσιολογικές διεργασίες που συμβαίνουν σε ζωντανούς οργανισμούς συνδέονται επίσης με αυτό το φαινόμενο. Για παράδειγμα, η ισορροπία αλατιού είναι αδύνατη χωρίς διάχυση. Τέτοιες διεργασίες έχουν μεγάλη σημασία για τον εφοδιασμό λιμνών και ποταμών με οξυγόνο. Το αέριο εισέρχεται στα βάθη της δεξαμενής ακριβώς με διάχυση. Εάν απουσίαζε μια τέτοια διαδικασία, η ζωή μέσα στη δεξαμενή θα έπαυε να υπάρχει.
Η λήψη φαρμάκων που επιτρέπουν σε ένα άτομο να προστατεύεται από παθογόνους παράγοντες διαφόρων ασθενειών και να βελτιώνει την ευημερία βασίζεται επίσης στη διάχυση. Αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται στη συγκόλληση μετάλλων, στην παραγωγή χυμού ζάχαρης από τσιπς τεύτλων και στην παρασκευή ζαχαροπλαστικής. Είναι δύσκολο να βρεθεί ένας τέτοιος κλάδος της σύγχρονης βιομηχανίας όπου δεν χρησιμοποιείται η διάχυση.
