Диффузия — что это такое в физике

Диффузия — это физическое явление, которое лежит в основе функционирования всех живых организмов, которые благодаря диффузии могут дышать и питаться, благодаря ей происходят все процессы в неживой природе. На основе данного явления проводятся различные технологические процессы, начиная от производства металлов, заканчивая приготовлением пищи и напитков.

История открытия

Диффузия – это физическое явление взаимного проникновения веществ друг в друга. Результат постоянного движения молекул различных веществ, стремящихся достигнуть положения равновесия. Происходит такой процесс в различных веществах, находящихся в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Если говорить простыми словами, то диффузией можно назвать смешивание веществ, которое происходит на молекулярном уровне.

Еще в Древней Греции философы знали, что в окружающем их мире происходит постоянная диффузия, что это бесконечный процесс проникновения молекул разных веществ в межмолекулярное пространство. Древнегреческие ученые и философы, такие как Анаксимен, Демокрит, Аристотель, Фалес Милетский выдвигали гипотезы о том, что все вещества в мире состоят из мельчайших частичек – молекул, которые невозможно увидеть невооруженным глазом. Находясь все время в движении, они стремятся заполнять свободные пространства, в результате чего и происходит процесс смешивания.

Не имея современного научного аппарата и оборудования древние ученые могли только предполагать о существовании такого явления в физике, как диффузия.

С развитием научного познания и появлением науки физики исследователи смогли описать процесс диффузии. Первым смог описать диффузию в 1855 году немецкий физик и врач Адольф Ойген Фик, в честь которого в физике назвали закон диффузии законом Фика.

Уравнение диффузии (закон Фика):

Механизм явления

Само название данного процесса имеет латинское происхождение и происходит от латинского слова diffusio, которое переводится как рассеивание, или распространение. Диффузия это в физике взаимное проникновение микрочастиц различных веществ при их соприкосновении или столкновении друг с другом.

• молекул;
• атомов;
• ионов и других частиц

Микрочастицы под воздействием тепловой энергии находятся в хаотичном движении, стремясь заполнить пустое межмолекулярное пространство для достижения равновесия.

Структура любого вещества имеет области, в которых концентрация микрочастиц отличается. Подвижные микрочастицы, образующие твердое, жидкое или газообразное вещество, всегда стремятся попасть в области с низкой концентрацией, чтобы достигнуть равновесия.

В веществе есть области с высокой и низкой концентрацией частиц, поэтому они постоянно движутся из области с большой концентрацией к области, где концентрация частиц меньше. Это явление может происходить с разной скоростью в разных агрегатных состояниях вещества. Ускорить процесс смешивания можно при помощи нагрева или иного внешнего воздействия.

Протекание диффузии в газах

Быстрее всего смешивание микрочастиц происходит в различных газах, у которых очень слабые межмолекулярные связи, а сами молекулы и атомы в газообразных составах располагаются далеко друг от друга, что создает большие промежутки, в которые легко и быстро проникают микрочастицы другого газообразного вещества.

В результате чего диффузия в газообразном веществе происходит за считанные минуты или даже секунды.

Особенности смешивания жидкой среды

На втором месте по скорости смешивания молекул, атомов и ионов при соприкосновении стоят жидкости. Связи молекул в таком агрегатном состоянии слабые, их энергия позволяет создавать только капли из такого вещества, которые очень быстро растекаются или испаряются.

Процесс диффузии в жидкости длится несколько минут или часов, в зависимости от плотности смешиваемого вещества и температурного режима. В густых составах связи между молекулами и атомами более прочные, поэтому частичкам другого вещества сложнее проникнуть в их межмолекулярное пространство. При высоких температурных значениях самой жидкости и окружающей среды смешивание происходит быстрее.

Диффузия зависит от температуры

Чем выше температура, тем быстрее протекает диффузия и наоборот. Это связано с тем, что при увеличении температуры молекулы вещества движутся быстрее.

Броуновское движение

Броуновское движение — это тепловое хаотическое движение мельчайших частиц в жидкостях или в газах. Английский ботаник Роберт Броун в 1827 году открыл это явление, взяв цветочную пыльцу, размешанную в воде, и разместив ее под микроскоп. Он увидел, что частички пыльцы хаотически движутся. Броуновское движение — доказательство того, что молекулы движутся, так как ударяются друг с другом. Броуновское движение можно описать методом статистической физики (используя теорию вероятности). Первым описал Броуновское движение Альберт Эйнштейн.

Множество маленьких 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.

Лукреций Кар «О природе вещей»

Разница между броуновским движением и диффузией в том, что броуновское движение — это беспорядочное движение молекул в жидкостях и в газах, а диффузия — это упорядоченный процесс перемещения из областей с высокой концентрацией вещества в области с малой концентрацией. Можно сказать, что броуновское движение — это начало процесса диффузии.

Диффузия в твердом агрегатном состоянии

Медленнее всего происходит процесс диффузии в твердых телах. В таком агрегатном состоянии смешивание веществ может происходить в течении нескольких лет. Такая скорость взаимопроникновения объясняется высокой плотностью вещества, находящегося в твердом состоянии.

Структура твердых элементов имеет маленькие расстояния между микрочастицами, поэтому молекулам и атомам другого твердого вещества сложно проникать в такое ограниченное пространство других микрочастиц. Для ускорения процесса смешивания твердых веществ типа металлов используют сильный нагрев, в результате чего металлические сплавы из твердого агрегатного состояния переходят в жидкое, а процесс смешивания ускоряется.

Примеры диффузии

Примеры диффузии газов и жидкостей каждый может наблюдать в повседневной жизни. Благодаря процессу смешивания воздуха с кровью происходит процесс дыхания живых организмов на суше. Диффузия присутствует в процессе переваривания человеком, животными и растениями питательных веществ.

Благодаря данному физическому явлению осуществляется процесс фотосинтеза, в результате которого растения выделяют из воды с помощью солнечного света кислород для нашей Планеты. Наблюдать процесс смешивания каждый человек может, когда заваривает себе чай или кофе, а потом добавляет в него сахар. Аромат цветущих растений в теплый солнечный день распространяется по саду также благодаря диффузии воздуха и летучих эфирных веществ, выделяемых цветами.