Диффузия — что это такое в физике

Диффузия - что это такое

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):

    \[\displaystyle \frac{dC}{dt}=D \cdot \frac{d^2{C}}{dx^2}\]

D — коэффициент диффузии,

C — концентрация вещества,

t — время,

x — расстояние.

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.

Диффузия в газах
Диффузия в газах

 

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.

Диффузия в жидкости

 

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.

Броуновское движение
Броуновское движение

 

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.

Диффузия в твердых телах

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.

Спасибо:
( 3 оценки, среднее 5 из 5 )
Литература, математика, русский язык, физика, география, история, астрономия и обществознание
Подписаться
Уведомить о
16 комментариев
Старые
Новые Популярные
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
Сергей

Неплохо иногда вспомнить курс школьной химии!

Вася

Интересная статья.

вася

Вообще тема то интересная -в школе еще проходили.А так немного освежил в памяти.

Василий

Спасибо за урок физики, было интересно!

олег

Интересная и любознательная статья, с детства любил химию.

Саша

Очень познавательно и интересно жаль редко читаю что то подобное

Рома

Интересная тема Всегда полезно получить знания

денис

Если говорить простыми словами, то диффузией можно назвать смешивание веществ, которое происходит на молекулярном уровне.

Олег

Побывал на уроке физики.😀

Selmont11

Хорошая стаття рекомендую тут много полезной информации, так что читайте и узнавайте что-то новое.

наталья

статья очень хорошая и интересная советую всем прочитать

Денис

В школе всегда нравились такие темы по физике, особенно про Броуновское движение!

Vitality

Я экзамен здавал по этой теме. Спасибо за содержательную статью.

AlekS

Всё так подробно и очень понятно, как моя учитель физики когда-то объясняла.

Artem

Школьный курс. Молодёжь сейчас это не запоминает даже.

петр

Интересная тема в школе проходили