Диффузия и живая природа

Выполнил:

 

 ученик 8 А класса Зябрев  Кирилл.

 

 Учитель физики: Завьялова  Г.М.

 

 Учитель биологии: Зябрева  В.Ф.

 

 

Томск – 2008

 

 

Содержание

 

 

I. Введение. ………………………………………………………… 3

 

II. Диффузия в живой  и неживой природе.

 

История открытия явления. …………………………………. 4

 

Диффузия, её виды. ………………………………………….. 6

 

От чего зависит скорость диффузии? ……………………….. 7

 

Диффузия в неживой  природе. ……………………………... 8

 

Диффузия в живой природе. ………………………………… 9

 

Использование явлений диффузии. …………………………. 16

 

Проектирование отдельных  явлений диффузии. …………… 17

 

Заключение. …………………………………………………... 20

 

Используемая литература. …………………………………. . 21

 

 

 

I. Введение.

 

 

Как много удивительного  и интересного происходит вокруг нас. Светят на ночном небе далёкие  звёзды, горит в окне свеча, ветер  разносит аромат цветущей черёмухи, тебя провожает взглядом стареющая бабушка…. Многое хочется узнать, попытаться объяснить самостоятельно. Ведь многие природные явления связаны с  процессами диффузии, о которой мы говорили недавно в школе. Но говорили так мало!

 

 

Цели работы:

 

 Расширить и углубить  знания о диффузии.

 

 Смоделировать отдельные  диффузионные процессы.

 

 Создать дополнительный  материал в компьютерном исполнении  для использования на уроках  физики и биологии.

 

 

Задачи:

 

 Найти необходимый  материал в литературе, Интернет-сети, изучить и проанализировать его.

 

 Выяснить, где в живой  и неживой природе (физике и  биологии) встречаются явления диффузии, какое значение они имеют, где  применяются человеком.

 

 Описать и спроектировать  наиболее интересные опыты по  данному явлению.

 

 Создать анимационные  модели некоторых диффузионных  процессов.

 

 

Методы: анализ и синтез литературы, проектирование, моделирование.

 

 

Моя работа состоит из трёх частей; основная часть – из 7 глав. Мной были изучены и обработаны материалы 13 литературных источников, среди которых  учебная, справочная, научная литература и Интернет-сайты, а также подготовлена презентация, сделанная в редакторе Power Point.

 

 

 

Диффузия в живой и  неживой природе.

 

 

II.1. История открытия явления  диффузии.

 

 

При наблюдении в микроскопе взвеси цветочной пыльцы в воде Роберт Броун наблюдал хаотичное движение частиц, возникающее «не от движения жидкости и не от ее испарения». Видимые  только под микроскопом взвешенные частицы размером 1 мкм и менее  совершали неупорядоченные независимые  движения, описывая сложные зигзагообразные  траектории. Броуновское движение не ослабевает со временем и не зависит  от химических свойств среды; его  интенсивность увеличивается с  ростом температуры среды и с  уменьшением ее вязкости и размеров частиц. Даже качественно объяснить причины броуновского движения удалось только через 50 лет, когда причину броуновского движения стали связывать с ударами молекул жидкости о поверхность взвешенной в ней частицы.

 

 Первая количественная  теория броуновского движения  была дана А. Эйнштейном и  М. Смолуховским в 1905-06 гг. на  основе молекулярно-кинетической  теории. Было показано, что случайные  блуждания броуновских частиц  связаны с их участием в  тепловом движении наравне с  молекулами той среды, в которой  они взвешены. Частицы обладают  в среднем такой же кинетической  энергией, но из-за большей массы  имеют меньшую скорость. Теория  броуновского движения объясняет  случайные движения частицы действием  случайных сил со стороны молекул  и сил трения. Согласно этой  теории, молекулы жидкости или  газа находятся в постоянном  тепловом движении, причем импульсы  различных молекул не одинаковы  по величине и направлению.  Если поверхность частицы, помещенной  в такую среду, мала, как это  имеет место для броуновской  частицы, то удары, испытываемые  частицей со стороны окружающих  ее молекул, не будут точно  компенсироваться. Поэтому в результате  «бомбардировки» молекулами броуновская  частица приходит в беспорядочное  движение, меняя величину и направление  своей скорости примерно 1014 раз  в сек. Из этой теории следовало,  что, измерив смещение частицы  за определенное время и зная  ее радиус и вязкость жидкости  можно вычислить число Авогадро.

 

 Выводы теории броуновского  движения были подтверждены измерениями  Ж. Перрена и Т. Сведберга  в 1906 г. На основе этих соотношений  были экспериментально определены  постоянная Больцмана и постоянная  Авогадро. (Постоянная Авогадро обозначается NА, число молекул или атомов  в 1 моле вещества, NА=6,022.1023 моль-1; название в честь А. Авогадро.

 

Постоянная Больцмана , физическая постоянная k, равная отношению универсальной  газовой постоянной R к числу Авогадро NA: k = R/ NA = 1,3807.10-23 Дж/К. Названа по имени  Л. Больцмана.)

 

 При наблюдении броуновского  движения фиксируется положение  частицы через равные промежутки  времени. Чем короче промежутки  времени, тем более изломанной  будет выглядеть траектория движения  частицы.

 

 Закономерности броуновского  движения служат наглядным подтверждением  фундаментальных положений молекулярно-кинетической  теории. Было окончательно установлено,  что тепловая форма движения  материи обусловлена хаотическим  движением атомов или молекул,  из которых состоят макроскопические  тела.

 

 Теория броуновского  движения сыграла важную роль  в обосновании статистической  механики, на ней основана кинетическая  теория коагуляции (перемешивания)  водных растворов. Помимо этого, она имеет и практическое значение в метрологии, так как броуновское движение рассматривают как основной фактор, ограничивающий точность измерительных приборов. Например, предел точности показаний зеркального гальванометра определяется дрожанием зеркальца, подобно броуновской частице бомбардируемого молекулами воздуха. Законами броуновского движения определяется случайное движение электронов, вызывающее шумы в электрических цепях. Диэлектрические потери в диэлектриках объясняются случайными движениями молекул-диполей, составляющих диэлектрик. Случайные движения ионов в растворах электролитов увеличивают их электрическое сопротивление.

 

 

 

 

Траектории броуновских  частиц (схема опыта Перрена); точками  отмечены положения частиц через  одинаковые промежутки времени [4].

 

 

Таким образом, ^  ДИФФУЗИЯ, ИЛИ БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ – это  беспорядочное движение мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или  газе, происходящее под действием  ударов молекул окружающей среды; открыто

 

Р. Броуном в 1827 г.

 

 

II. 2. Диффузия, её виды.

 

 

Различают диффузию и самодиффузию.

 

 Диффузией называется  самопроизвольное проникновение  молекул одного вещества в  промежутки между молекулами  другого вещества. При этом происходит  перемешивание частиц. Диффузия  наблюдается для газов, жидкостей  и твердых тел. Например, капелька  чернил перемешивается в стакане  воды. Или запах одеколона распространяется  по всему помещению.

 

 Диффузия, как и самодиффузия, существует, пока есть градиент  плотности вещества. Если плотность  какого-либо одного и того же  вещества неодинакова в разных  частях объема, то наблюдается  явление самодиффузии. Самодиффузией  называется процесс выравнивания  плотности (или пропорциональной  ей концентрации) одного и того  же вещества. Диффузия и самодиффузия  происходят благодаря тепловому  движению молекул, которое при  неравновесных состояниях создает  потоки вещества.

 

 Плотностью потока  массы называется масса вещества (dm), диффундирующего в единицу  времени  через единичную площадку (dSпл), перпендикулярную оси x:

 

                (1.1)

 

 Явление диффузии подчиняется  закону Фика

 

                       (1.2)

 

 где  - модуль градиента  плотности, который определяет  скорость изменения плотности  в направлении оси х;

 

        D - коэффициент  диффузии, который рассчитывается  из молекулярно-кинетической теории  по формуле

 

                     (1.3)

 

 где  - средняя скорость  теплового движения молекул;

 

         - средняя длина свободного пробега  молекул.

 

 Минус показывает, что  перенос массы происходит в  направлении убывания плотности.

 

 Уравнение (1.2) называется  уравнением диффузии или законом  Фика [13].

 

 

II. 3. Скорость диффузии.

 

 

При движении частицы в  веществе, она постоянно сталкивается с его молекулами. Это одна из причин, почему в обычных условиях диффузия идёт медленнее обычного движения. От чего же зависит скорость диффузии?

 

 Во-первых, от среднего  расстояния между столкновениями  частиц, т.е. длины свободного  пробега. Чем больше эта длина,  тем быстрее частица проникает  в вещество.

 

 Во-вторых, на скорость  влияет давление. Чем плотнее  упаковка частиц в веществе, тем  труднее частице-пришельцу проникнуть  в такую упаковку.

 

 В-третьих, большую  роль оказывает на скорость  диффузии молекулярная масса  вещества. Чем крупнее мишень, тем  вероятнее попадание, а после  столкновения скорость всегда  замедляется.

 

 И, в-четвёртых, температура.  С ростом температуры колебания  частиц увеличиваются, растёт  скорость молекул. Однако, скорость  диффузии в тысячу раз медленнее  скорости свободного движения.

 

 Все виды диффузии  подчиняются одинаковым законам,  описываются посредством коэффициента  диффузии D, который является скалярной  величиной и определяется из  первого закона Фика.

 

 При одномерной диффузии [13],

 

 где J - плотность потока  атомов или дефектов вещества,

D - коэффициент диффузии,

N - концентрация атомов  или дефектов вещества.

 

 Диффузия представляет  собой процесс на молекулярном  уровне и определяется случайным  характером движения отдельных  молекул. Скорость диффузии пропорциональна  в связи с этим средней скорости  молекул. В случае газов средняя  скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 ºC.

 

 Если в смеси газов  одна молекула в четыре раза  тяжелее другой, то такая молекула  передвигается в два раза медленнее  по сравнению с её движением  в чистом газе. Соответственно, скорость  диффузии её также ниже. Эта  разница в скорости диффузии  лёгких и тяжёлых молекул применяется,  чтобы разделять вещества с  различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести  разделение изотопов. Если газ,  содержащий два изотопа, пропускать  через пористую мембрану, более  лёгкие изотопы проникают через  мембрану быстрее, чем тяжёлые.  Для лучшего разделения процесс  производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся  для разделения изотопов урана  (отделение делящегося под нейтронным  облучением 235U от основной массы  238U). Поскольку такой способ разделения  требует больших энергетических  затрат, были развиты другие, более  экономичные способы разделения. Например, широко развито применение  термодиффузии в газовой среде.  Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой  поддерживается пространственный  перепад (градиент) температур. При  этом тяжёлые изотопы со временем  концентрируются в холодной области.

 

Вывод.  На диффузные изменения  влияют:

 

молекулярная масса вещества (чем выше молекулярная масса, тем  меньше скорость);

 

среднее расстояние между  столкновениями частиц (чем больше длина пробега, тем больше скорость);

 

давление (чем больше упаковка частиц, тем труднее её пробить),

 

температура (с повышением температуры повышается скорость).

 

 

 

II.4. Диффузия в неживой  природе.

 

 

Знаете ли вы, что вся  наша жизнь построена на странном парадоксе природы? Всем известно, что  воздух, которым мы дышим, состоит  из газов разной плотности: азота N2, кислорода О2, углекислого газа СО2 и незначительного количества других примесей. И эти газы должны быть расположены слоями, соответственно силе тяжести: самый тяжёлый, СО2,- у  самой поверхности земли, над  ним – О2, ещё выше - N2. Но этого  не происходит. Нас окружает однородная смесь газов. Почему не гаснет пламя? Ведь кислород, окружающий его, быстро выгорает? Тут, как и в первом случае, действует механизм выравнивания. Диффузия препятствует нарушению равновесия в природе!

 

 Почему море солёное?  Мы знаем, это реки пробиваются  сквозь толщу горных пород,  минералов и вымывают соли  в море. Как перемешивание соли  с водой происходит? Это можно  объяснить это с помощью простого  опыта:

 

^ ОПИСАНИЕ ОПЫТА: В стеклянный  сосуд наливаем водный раствор  медного купороса. Поверх раствора  осторожно наливаем чистую воду. Наблюдаем границу между жидкостями.

 

Вопрос: Что будет происходить  с этими жидкостями с течением времени, и что мы будем наблюдать?

 

 С течением времени  граница между соприкасающимися  жидкостями начнёт размываться.  Сосуд с жидкостями можно поставить  в шкаф и изо дня в день  наблюдать, как происходит самопроизвольное  перемешивание жидкостей. В конце  концов, в сосуде образуется однородная  жидкость бледно-голубого цвета,  почти бесцветная на свету. 

 

 Частицы медного купороса  тяжелее воды, но благодаря диффузии  они медленно поднимаются вверх.  Причина в строении жидкости. Частицы жидкости упакованы в  компактные группы – псевдоядра. Они отделены друг от друга  пустотами – дырами. Ядра не  стабильны, их частицы недолго  находятся в равновесии. Стоит  частице сообщить энергию, как  частица отрывается от ядра  и проваливается в пустоты.  Оттуда она легко перескакивает  к другому ядру и т.д.

 

 Молекулы инородного  вещества начинают своё путешествие  по жидкости с дыр. На пути  они сталкиваются с ядрами, выбивают  из них частицы, встают на  их место. Перебираясь с одного  свободного места на другое, они  медленно перемешиваются с частицами  жидкости. Мы уже знаем, что  скорость диффузии мала. Поэтому  в обычных условиях данный  опыт проходил18 дней, при подогреве  – 2-3 минуты.