Дифузія

15

МІНІСТЕРСТВО АГРАРНОЇ ПОЛІТИКИ ТА ПРОДОВОЛЬСТВА

УКРАЇНИ

Таврійський державний агротехнологічний університет

                                                                                         Кафедра «_______________________»

РЕФЕРАТ

на тему: «Дифузія»

Виконала: студентка 11 АГ групи                                                                                    Пузирь О.А.

Перевірив:                                                                                                                           Кулаева М.В.

Мелітополь, 2012

ЗМІСТ

ВСТУП              3

1. ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ФІЗИЧНОЇ ЯВИЩА ДИФУЗІЯ              4

2. ОПИС ФІЗИЧНОГО ЯВИЩА ДИФУЗІЯ              7

3. ФІЗИЧНИЙ СЕНС ЯВИЩА ДИФУЗІЯ              9

4. ПРАКТИЧНЕ ЗАСТОСУВАННЯ ФІЗИЧНОЇ ЯВИЩА ДИФУЗІЯ В ЖИТТІ ЛЮДИНИ              12

ВИСНОВОК              14

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ              15

ВСТУП

Людина живе в тісному зв'язку з природним середовищем. Він впливає на неї, змінюючи і пристосовуючи до своїх потреб, створюючи у своїй практичній діяльності як би «другу» природу, мікросередовище. І природно, використовуючи чисто утилітарні предмети матеріальної культури, досягнення науки і техніки, людина відчуває до них певне ставлення. І це ставлення до різних фізичних явищ, що відбуваються навколо людини, у світі.

Фізичне розуміння процесів, що відбуваються в природі, постійно розвивається. Більшість нових відкриттів незабаром отримують застосування в техніці і промисловості. Однак нові дослідження постійно піднімають нові загадки і виявляють явища, для пояснення яких потрібні нові фізичні теорії. Незважаючи на величезний обсяг накопичених знань, сучасна фізика ще дуже далека від того, щоб пояснити всі явища природи.

В цій роботі буде розглянуто конкретне фізичне явище - дифузія. Одне з найбільш значущих явищ у фізиці, що має так багато в собі того, що ми зустрічаємо повсякденно і використовуємо у своє благо.

У роботі будуть розглянуті 4 питання стосуються дифузії:

      історія відкриття;

      опис як фізичного явища;

      фізичний зміст даного явища;

      практичне застосування в житті людини.

1. ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ ФІЗИЧНОЇ ЯВИЩА ДИФУЗІЯ

При спостереженні в мікроскопі суспензії квіткового пилку у воді Роберт Броун спостерігав хаотичний рух частинок, що виникає «не від руху рідини і не від її випаровування». Видимі тільки під мікроскопом зважені частинки розміром 1 мкм і менше здійснювали невпорядковані незалежні руху, описуючи складні зигзагоподібні траєкторії. Броунівський рух не слабшає з часом і не залежить від хімічних властивостей середовища, його інтенсивність збільшується з ростом температури середовища і зі зменшенням її в'язкості і розмірів часток. Навіть якісно пояснити причини броунівського руху вдалося лише через 50 років, коли причину броунівського руху стали пов'язувати з ударами молекул рідини об поверхню зваженої в ній частки.

Перша кількісна теорія броунівського руху була дана А. Ейнштейном і М. Смолуховським в 1905-06 рр.. на основі молекулярно-кінетичної теорії. Було показано, що випадкові блукання броунівських часток пов'язані з їх участю в тепловому русі нарівні з молекулами того середовища, в якій вони зважені. Частинки мають в середньому такий же кінетичної енергією, але через більшу маси мають меншу швидкість. Теорія броунівського руху пояснює випадкові руху частки дією випадкових сил з боку молекул і сил тертя. Відповідно до цієї теорії, молекули рідини чи газу знаходяться в постійному тепловому русі, причому імпульси різних молекул не однакові за величиною і напрямком. Якщо поверхня частинки, вміщеній в таке середовище, мала, як це має місце для броунівський частинки, то удари, які відчувають частинкою з боку оточуючих її молекул, не будуть точно компенсуватися. Тому в результаті «бомбардування» молекулами броунівська частка приходить в безладний рух, змінюючи величину і напрямок своєї швидкості приблизно 1014 раз в сек. З цієї теорії випливало, що, вимірявши зміщення частинки за певний час і знаючи її радіус і в'язкість рідини можна обчислити число Авогадро.

Висновки теорії броунівського руху були підтверджені вимірюваннями Ж. Перрена і Т. Сведберга в 1906 р. На основі цих співвідношень були експериментально визначені постійна Больцмана і постійна Авогадро. (Постійна Авогадро позначається NА, число молекул або атомів в 1 молі речовини, NА = 6,022.1023 моль-1; назву на честь А. Авогадро. Постійна Больцмана, фізична постійна k, рівна відношенню універсальної газової постійної R до числа Авогадро NA: k = R / NA = 1,3807.10-23 Дж / К. Названа по імені Л. Больцмана.)

При спостереженні броунівського руху фіксується положення частинки через рівні проміжки часу. Чим коротше проміжки часу, тим більше зламаним буде виглядати траєкторія руху частинки.

Закономірності броунівського руху служать наочним підтвердженням фундаментальних положень молекулярно-кінетичної теорії. Було остаточно встановлено, що теплова форма руху матерії зумовлена ​​хаотичним рухом атомів або молекул, з яких складаються макроскопічні тіла.

Теорія броунівського руху зіграла важливу роль в обґрунтуванні статистичної механіки, на ній заснована кінетична теорія коагуляції (перемішування) водних розчинів. Крім цього, вона має і практичне значення в метрології, так як броунівський рух розглядають як основний фактор, що обмежує точність вимірювальних приладів. Наприклад, межа точності показань дзеркального гальванометра визначається тремтінням дзеркальця, подібно броунівський частці бомбардований молекулами повітря. Законами броунівського руху визначається випадкове рух електронів, що викликає шуми в електричних ланцюгах. Діелектричні втрати в діелектриках пояснюються випадковими рухами молекул-диполів, що становлять діелектрик. Випадкові руху іонів у розчинах електролітів збільшують їх електричний опір.

Рис.1 Траєкторії броунівських часток (схема досвіду Перрена); точками відзначені положення частинок через однакові проміжки часу

Таким чином, дифузія, або броунівський рух - це безладний рух найдрібніших частинок, зважених в рідині або газі, що відбувається під дією ударів молекул навколишнього середовища відкрите Р. Броуном в 1827 р.

2. ОПИС ФІЗИЧНОГО ЯВИЩА ДИФУЗІЯ

Дифузія (лат. diffusio - розповсюдження, розтікання, розсіювання, взаємодія) - процес взаємного проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншого, що призводить до мимовільного вирівнюванню їх концентрацій по всьому займаному обсягу. У деяких ситуаціях одне з речовин вже має вирівняну концентрацію і говорять про дифузії одного речовини в іншому. При цьому перенесення речовини відбувається з області з високою концентрацією в область з низькою концентрацією (проти градієнта концентрації)

Прикладом дифузії може служити перемішування газів (наприклад, розповсюдження запахів) або рідин (якщо у воду капнути чорнила, то рідина через деякий час стане рівномірно забарвленою). Інший приклад пов'язаний з твердим тілом: атоми дотичних металів дифузія частинок грає у фізиці плазми.

Зазвичай під дифузією розуміють процеси, що супроводжуються перенесенням матерії, однак іноді дифузійними називають також інші процеси перенесення: теплопровідність, в'язке тертя і т.п.

Рис. 2 Схема дифузії через напівпроникну мембрану

Швидкість протікання дифузії залежить від багатьох факторів. Так, у разі металевого стержня теплова дифузія проходить дуже швидко. Якщо ж стрижень виготовлений з синтетичного матеріалу, теплова дифузія протікає повільно. Дифузія молекул в загальному випадку протікає ще повільніше. Наприклад, якщо шматочок цукру опустити на дно склянки з водою і воду не перемішувати, то пройде кілька тижнів, перш ніж розчин стане однорідним. Ще повільніше відбувається дифузія одного твердої речовини в інше. Наприклад, якщо мідь покрити золотом, то буде відбуватися дифузія золота в мідь, але при нормальних умовах (кімнатна температура і атмосферний тиск) золотовмісний шар досягне товщини в кілька мікронів тільки через кілька тисяч років.

3. ФІЗИЧНИЙ СЕНС ЯВИЩА ДИФУЗІЯ

Всі види дифузії підкоряються однаковим законам. Швидкість дифузії пропорційна площі поперечного перерізу зразка, а також різниці концентрацій, температур або зарядів (в разі відносно невеликих величин цих параметрів). Так, тепло буде в чотири рази швидше поширюватися через стрижень діаметром у два сантиметри, ніж через стрижень діаметром в один сантиметр. Це тепло буде поширюватися швидше, якщо перепад температур на одному сантиметрі буде 10 ° C замість 5 ° C. Швидкість дифузії пропорційна також параметру, що характеризує конкретний матеріал. У разі теплової дифузії цей параметр називається теплопровідність, у разі потоку електричних зарядів - електропровідність. Кількість речовини, яка дифундує протягом певного часу, і відстань, яку проходить дифундують речовиною, пропорційні квадратному кореню часу дифузії.

Дифузія представляє собою процес на молекулярному рівні і визначається випадковим характером руху окремих молекул. Швидкість дифузії в зв'язку з цим пропорційна середній швидкості молекул. У разі газів середня швидкість малих молекул більше, а саме вона обернено пропорційна квадратному кореню з маси молекули і зростає з підвищенням температури. Дифузійні процеси в твердих тілах при високих температурах часто знаходять практичне застосування. Наприклад, в певних типах електронно-променевих трубок (ЕПТ) застосовується металевий торій, продіффундіровавшій через металевий вольфрам при 2000 ° C.

Якщо в суміші газів маса однієї молекули в чотири рази більша за іншу, то така молекула пересувається в два рази повільніше в порівнянні з її рухом в чистому газі. Відповідно, швидкість дифузії її також нижче. Ця різниця в швидкості дифузії легких і важких молекул застосовується, щоб розділяти субстанції з різними молекулярними вагами. Як приклад можна привести поділ ізотопів. Якщо газ, що містить два ізотопи, пропускати через пористу мембрану, більш легкі ізотопи проникають через мембрану швидше, ніж важкі. Для кращого поділу процес проводиться в кілька етапів. Цей процес широко застосовувався для розділення ізотопів урану (відділення 235U від основної маси 238U). Оскільки такий спосіб поділу вимагає великих енергетичних витрат, були розвинені інші, більш економічні способи поділу. Наприклад, широко розвинене застосування термодифузії в газовому середовищі. Газ, що містить суміш ізотопів, поміщається в камеру, в якій підтримується просторовий перепад (градієнт) температур. При цьому важкі ізотопи з часом концентруються в холодній області.

Рівняння Фіка.

З точки зору термодинаміки рушійним потенціалом будь-якого вирівнюючого процесу є зростання ентропії. При постійних тиску і температурі в ролі такого потенціалу виступає хімічний потенціал μ, який зумовлює підтримку потоків речовини. Потік частинок речовини пропорційний при цьому градієнту потенціалу:

~                                                                                                      (3.1)

У більшості практичних випадків замість хімічного потенціалу застосовується концентрація C. Пряма заміна μ на C стає некоректною в разі великих концентрацій, так як хімічний потенціал пов'язаний з концентрацією за логарифмічною закону. Якщо не розглядати такі випадки, то вищенаведену формулу можна замінити на наступну:

                                                                                                  (3.2)

Ця формула показує, що щільність потоку речовини J [] пропорційна коефіцієнту дифузії D [()] і градієнту концентрації. Це рівняння виражає перший закон Фіка (Адольф Фік - німецький фізіолог, який встановив закони дифузії в 1855 р.). Другий закон Фіка пов'язує просторове і тимчасове зміни концентрації (рівняння дифузії):

                                                                                                            (3.3)

Коефіцієнт дифузії D залежить від температури. У ряді випадків у широкому інтервалі температур ця залежність являє собою рівняння Арреніуса.