О том, что такое диффузия в физике: определение и интересные примеры. Диффузия кофе


Диффузия: определение и примеры в окружающем мире

О таком понятии, как диффузия, слышали абсолютно все люди. Это было одной из тем на уроках физики в 7 классе. Несмотря на то что это явление окружает нас абсолютно везде, мало кто знает о нём. Что же оно всё-таки означает? В чём заключается его физический смысл, и как можно облегчить жизнь с её помощью? Сегодня мы с вами об этом и поговорим.

Диффузия в физике: определение

Это — процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Говоря простым языком, этот процесс можно назвать смешиванием. Во время этого смешивания происходит взаимное проникновение молекул вещества друг между другом. Например, при приготовлении кофе молекулы растворимого кофе проникают в молекулы воды и наоборот.

Скорость этого физического процесса зависит от следующих факторов:

  1. Температура.
  2. Агрегатное состояние вещества.
  3. Внешнее воздействие.

Чем выше температура вещества, тем быстрее движутся молекулы. Следовательно, процесс смешивания происходит быстрее при высоких температурах.

Агрегатное состояние вещества — важнейший фактор. В каждом агрегатном состоянии молекулы движутся с определённой скоростью.

Диффузия может протекать в следующих агрегатных состояниях:

  1. Газ.
  2. Жидкость.
  3. Твёрдое тело.

Скорее всего, у читателя сейчас возникнут следующие вопросы:

  1. Каковы причины возникновения диффузии?
  2. Где она протекает быстрее?
  3. Как она применяется в реальной жизни?

Ответы на них можно узнать ниже.

Причины возникновения

Абсолютно у всего в этом мире есть своя причина. И диффузия не является исключением. Физики прекрасно понимают причины её возникновения. А как донести их до обычного человека?

Наверняка каждый слышал о том, что молекулы находятся в постоянном движении. Причём это движение является беспорядочным и хаотичным, а его скорость очень большая. Благодаря этому движению и постоянному столкновению молекул происходит их взаимное проникновение.

Есть ли какие-то доказательства этого движения? Конечно! Вспомните, как быстро вы начинали чувствовать запах духов или дезодоранта? А запах еды, которую готовит ваша мама на кухне? Вспомните, как быстро готовится чай или кофе. Всего этого не могло быть, если бы не движение молекул. Делаем вывод — основная причина диффузии заключается в постоянном движении молекул.

Теперь остаётся только один вопрос — чем же обусловлено это движение? Оно обусловлено стремлением к равновесию. То есть, в веществе есть области с высокой и низкой концентрацией этих частиц. И благодаря этому стремлению они постоянно движутся из области с высокой концентрацией в низкоконцентрированную. Они постоянно сталкиваются друг с другом, и происходит взаимное проникновение.

Диффузия в газах

Процесс смешивания частиц в газах самый быстрый. Он может происходить как между однородными газами, так и между газами с разной концентрацией.

Яркие примеры из жизни:

  1. Вы чувствуете запах освежителя воздуха благодаря диффузии.
  2. Вы чувствуете запах приготовленной пищи. Заметьте, его вы начинаете чувствовать сразу, а запах освежителя через несколько секунд. Это объясняется тем, что при высокой температуре скорость движения молекул больше.
  3. Слезы, возникающие у вас при нарезании лука. Молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха, и ваши глаза на это реагируют.

Как протекает диффузия в жидкостях

Диффузия в жидкостях протекает медленнее. Она может длиться от нескольких минут до нескольких часов.

Самый яркие примеры из жизни:

  1. Приготовление чая или кофе.
  2. Смешивание воды и марганцовки.
  3. Приготовление раствора соли или соды.

В этих случаях диффузия протекает очень быстро (до 10 минут). Однако если к процессу будет приложено внешнее воздействие, например, размешивание этих растворов ложкой, то процесс пойдёт гораздо быстрее и займёт не более одной минуты.

Диффузия при смешивании более густых жидкостей будет происходить гораздо дольше. Например, смешивание двух жидких металлов может занимать несколько часов. Конечно, можно сделать это за несколько минут, но в таком случае получится некачественный сплав.

Например, диффузия при смешивании майонеза и сметаны будет протекать очень долго. Однако, если прибегнуть к помощи внешнего воздействия, то этот процесс и минуты не займёт.

Диффузия в твёрдых телах: примеры

В твёрдых телах взаимное проникновение частиц протекает очень медленно. Этот процесс может занять несколько лет. Его длительность зависит от состава вещества и структуры его кристаллической решётки.

Опыты, доказывающие, что диффузия в твёрдых телах существует.

  1. Слипание двух пластин разных металлов. Если держать эти две пластины плотно друг к другу и под прессом, в течение пяти лети между ними будет слой, имеющий ширину 1 миллиметр. В этом небольшом слое будут находиться молекулы обоих металлов. Эти две пластины будут слиты воедино.
  2. На тонкий свинцовый цилиндр наносится очень тонкий слой золота. После чего эта конструкция помещается в печь на 10 дней. Температура воздуха в печи — 200 градусов Цельсия. После того как этот цилиндр разрезали на тонкие диски, было очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.

Примеры диффузии в окружающем мире

Как вы уже поняли, чем тверже среда, тем меньше скорость смешивания молекул. Теперь давайте поговорим о том, где в реальной жизни можно получить практическую пользу от этого физического явления.

Процесс диффузии происходит в нашей жизни постоянно. Даже когда мы лежим на кровати, очень тонкий слой нашей кожи остаётся на поверхности простыни. А также в неё впитывается пот. Именно из-за этого постель становится грязной, и её необходимо менять.

Так, проявление этого процесса в быту может быть следующим:

  1. При намазывании масла на хлеб оно в него впитывается.
  2. При засолке огурцов соль сначала диффундирует с водой, после чего солёная вода начинает диффундировать с огурцами. В результате чего мы получаем вкуснейшую закуску. Банки необходимо закатывать. Это нужно для того, чтобы вода не испарялась. А точнее, молекулы воды не должны диффундировать с молекулами воздуха.
  3. При мытье посуды молекулы воды и чистящего средства проникают в молекулы оставшихся кусочков еды. Это помогает им отлипать от тарелки, и сделать её более чистой.

Проявление диффузии в природе:

  1. Процесс оплодотворения происходит именно благодаря этому физическому явлению. Молекулы яйцеклетки и сперматозоида диффундируют, после чего появляется зародыш.
  2. Удобрение почв. Благодаря использованию определённых химических средств или компоста почва становится более плодородной. Почему так происходит? Суть в том, что молекулы удобрения диффундируют с молекулами почвы. После чего процесс диффузии происходит между молекулами почвы и корня растения. Благодаря этому сезон будет более урожайным.
  3. Смешивание производственных отходов с воздухом сильно загрязняет его. Из-за этого в радиусе километра воздух становится очень грязным. Его молекулы диффундируют с молекулами чистого воздуха из соседних районов. Именно так ухудшается экологическая обстановка в городе.

Проявление этого процесса в промышленности:

  1. Силицирование — процесс диффузионного насыщения кремнием. Он проводится в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой детали имеет не очень высокую твёрдость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серной кислотах.
  2. Диффузия в металлах при изготовлении сплавов играет большую роль. Для получения качественного сплава необходимо производить сплавы при высоких температурах и с внешним воздействием. Это значительно ускорит процесс диффузии.

Эти процессы происходят в различных областях промышленности:

  1. Электронная.
  2. Полупроводниковая.
  3. Машиностроение.

Как вы поняли, процесс диффузии может оказывать на нашу жизнь как положительный, так и отрицательный эффект. Нужно уметь управлять своей жизнью и максимально использовать пользу от этого физического явления, а также минимизировать вред.

Теперь вы знаете, в чём сущность такого физического явления, как диффузия. Она заключается во взаимном проникновении частиц благодаря их движению. А в жизни движется абсолютно все. Если вы школьник, то после прочтения нашей статьи вы точно получите оценку 5. Успехов вам!

obrazovanie.guru

О том, что такое диффузия в физике: определение и интересные примеры

В общеобразовательной школе каждый семиклассник обязательно знакомится по физике с различными явлениями, которые можно встретить как в повседневной жизни, так и в промышленных условиях.

Данная статья посвящена диффузии. Изначально этот термин может показаться пугающим, чем-то необычным. На самом деле, он является одним из часто встречающихся явлений, точнее даже сказать, что оно постоянно и всюду имеет место. Давайте с вами рассмотрим, что такое диффузия в физике, заодно приведем множество примеров, которые дадут понять: нет ничего сложного, а тема по школьному предмету довольно простая и интересная.

Определение диффузии

В разных источниках можно встретить разную формулировку, но такую, которая не теряет свой первоначальный смысл.

Диффузия – явление, при котором молекулы одного вещества проникают в молекулы другого вещества. Школьнику может показаться эта фраза слишком непонятной и сложной. Но на самом деле, все достаточно легко. Как известно, молекула – мельчайшая частица любого вещества (она есть даже у воздуха, газа). Каждая молекула соединяется между собой структурными связями. Чем плотнее структура, тем тверже тело. Таким образом, проникновение молекул одного вещества в молекулы другого будет проще в случае, когда структура наиболее простая или же молекулы существуют свободно.

Вот почему так звучит определение. Что такое диффузия в физике? Проще говоря: соединение, проникновение двух веществ друг в друга. В итоге образуется единое целое.

Газ и воздух

Давайте начнем с рассмотрения примеров, посвященных простым молекулярным соединениям как газы. Дело в том, что воздух легче всего поддается изменениям. Например, вы распылили в комнате духи. Моментально или через несколько секунд уже чувствуется аромат. В данном случае мы уже можем ответить на вопрос о том, что такое диффузия.

В физике все вещества подразделяются на три основных состояния:

  • газообразное;
  • жидкое;
  • твердое.

Соответственно, газообразное состояние способно на достаточно быструю реакцию.

Приведем еще пример: запах краски, распространяющейся вокруг во время покраски изделий. Выхлопные газы автомобилей также являются диффузией в окружающей среде, поэтому, к сожалению, страдает экология, загрязнен воздух в больших и маленьких городах.

Стоит отметить, что воздух подвижен, его молекулы постоянно перемещаются. Поэтому диффузия с какими-либо посторонними газообразными веществами происходит постоянно.

Вода

А теперь рассмотрим кратко, что такое диффузия в физике в отношении жидких веществ. Представим себе сосуд с водой. В него добавим немного марганцовки или красящего вещества. Процесс можно наблюдать до тех пор, пока вода полностью не окрасится. Следует отметить, что диффузия происходит намного быстрее в горячей воде. Это может продемонстрировать обыкновенная чашка с чаем или кофе. Если в горячую воду добавить сахар, то он быстро растворится. При добавлении сливок в горячий кофе тоже происходит быстрое слияние кофе и воды, а также сливок.

При варке супов, бульонов и соусов тоже наблюдается диффузия. Следует отметить, что термическая обработка пищи (а именно варка) происходит чаще всего именно потому, что нужно соединить одно вещество с другим. Допустим, куриный бульон не получится в холодной воде, ведь мясной сок должен взаимодействовать с горячей водой.

Твердые изделия в промышленности

Существует такое состояние веществ, когда невозможно определить, твердое оно или жидкое. Имеется в виду не самое чистое вещество, а совокупность. Например, тесто для блинов, жидкая глина, густые масла. Что такое диффузия в физике по отношению к подобным изделиям? Проникновение молекул также сохранится. Например, при изготовлении сплавов, пластмасс применяются в жидком состоянии различные материалы, которые по своей естественной природе твердые. Но при нагревании они становятся жидкими, их молекулы способны проникать одни в другие, то есть будет диффузия. Таким образом, существует множество прочных стальных, пластиковых изделий, материалов.

Диффузия в твердых телах

Ранее мы рассмотрели определение, что такое диффузия в физике, теперь знаем. Согласно логике, в твердых веществах диффузии быть не может. Отчасти это так. Но есть сведения, что при постоянном хранении вместе некоторых веществ они становятся единым целым.

Например, если вместе поместить в один ящик свинец и золото так, чтобы они были тесно прижаты друг к другу, то примерно через 5 лет они соединятся своими поверхностями. Поэтому, отвечая на вопрос о том, что такое диффузия в физике, будем рассматривать абсолютно все вещества, но только одного состояния.

Химические процессы

В заключение стоит отметить, что явление диффузии изучается и в химии, и даже в биологии. Поэтому с этим термином можно столкнуться не только по физике. Химики в лабораториях постоянно проводят различные опыты, в которых без подобного процесса не обойтись. Но основная тема рассматривается в 7 классе. Что такое диффузия в физике и химии? Это достаточно часто встречающееся явление в природе и в быту, а также при производстве чего-либо.

fb.ru

О понимании физических процессов, происходящих при заваривании кофе.

Статья о физических явлениях и процессах, происходящих во время заваривания различными способами, от Майкла Макдональда, обжарщика ORIGIN Coffee Roasting из ЮАР.

Способ, с помощью которого из кофе извлекаются растворимые вещества, во многом определяет то, каким получится вкус напитка. Различные способы приготовления связаны с различными физическими процессами и явлениями. Добавьте к этому ещё температуру воды, размер помола, время экстракции, и вы сможете манипулировать вашим напитков, как только захотите.

(Пожалуйста, обратите внимание: то, что описано в этом блоге никоим образом не является окончательными выводами, поскольку есть и другие факторы, которые влияют на профиль чашки)

В этой статье я хотел бы рассмотреть различные физические явления и процессы, которые влияют на вкус кофе.

Вот они:

Гравитация (сила тяжести)

Давление

Погружение

Вакуум

Чтобы понять, как эти процессы и явления влияют на напиток, мы должны сначала понять основные механизмы их работы.

Механизмы диффузии и вымывания.

Диффузия - это процесс пассивного движения частиц вдоль уровня градиента концентрации или от области с низкой концентрацией к области с высокой концентрацией. Процесс диффузии происходит при любом способе приготовления. Процесс вымывания происходит, если кофе варится с применением давления. Например, в эспрессомашине или аэропрессе. Этот процесс вымывает из напитка нерастворимые кофейные частицы, такие как микроскопические волокна, которые добавляют напитку плотность (тело). Вымывание также увеличивает скорость диффузии.

Действие механизма вымывания описывается в источниках в основном в отношении эспрессо, и это справедливо (например, в трудах Эрнесто Илли). Я же буду использовать этот термин в качестве описания процессов, происходящих при заваривании кофе альтернативными способами.

Ниже приведены наиболее распространённые процессы и явления, характерные для различных способов заваривания и подробное описание каждого из них. Я также хотел бы отметить, что для разных процессов характерны различные уровни диффузии и вымывания.

Я полагаю, что это лучший способ показать, как динамика процесса меняется в зависимости от способа заваривания, и то, как это в конечном итоге влияет на кофе. Мои выводы основаны на моих собственных наблюдениях в течение многих лет.

При гравитации наблюдается низкий уровень вымывания и умеренный уровень диффузии. Гравитация используется при приготовлении Кемекса и Харио  V60. Гравитация позволяет получить гораздо более элегантный профиль чашки и неизбежно высокий уровень кислотности.

При использовании способов заваривания, основанных на гравитации, старайтесь придерживаться температуры в рамках 93-96 градусов. Это позволит поддерживать скорость диффузии достаточно высокой, чтобы извлечь из напитка достаточно растворимых кофейных частиц, а также добиться более кислотного профиля. Для пуроверов это очень важно, так как кислотность делает кофе более интересным и сложным (если только вы ничего не имеете против кислотности как таковой).

Давление используется при таких способах как аэропресс и гейзерная кофеварка. Для этого процесса характерен высокий уровень вымывания и различные уровни диффузии (по большей части низкие и умеренные). При небольшом давлении кофе будет иметь более богатую текстуру и вкус. Микроскопические частички волокон вымываются и больше растворимых веществ диффундируют в воду, так как скорость диффузии возрастает. При этом нужно помнить, что заданный уровень давления будет в определённой степени увеличивать скорость диффузии, следовательно, стоит пересмотреть общее время экстракции. Тип используемого в процессе приготовления фильтра определит уровень полученной текстуры.

Погружение сочетает в себе максимальный уровень диффузии с разными уровнями вымывания в зависимости от способа приготовления. Кофе, сваренный методом полного погружения, всегда имеет более насыщенный, полный вкус. Сифон и перевёрнутый аэропресс являются примерами погружения, также как поршневые типы  заваривания. Хотя, необходимо отметить, что кофе, заваренный с помощью плунжера, не так богат по вкусу. Вероятно это связано с комбинацией крупного помола и низкой степени вымывания. Плунжерные типы заваривания также обладают низким уровнем чистоты чашки (микроскопические волокна затмевают профиль чашки), и по этой причине не в состоянии должным образом отобразить всю сложность кофе.

Вакуум, характерный для такого способа заваривания как сифон, определяется низким или умеренным уровнем вымывания.  Я считаю, что этот уровень позволяет сифону приобрести сложный и даже в некоторой степени утончённый вкус, сравнимый с тем, что получается при вымывании под действием давления. При приготовлении в сифоне также используется метод погружения, так что диффузия будет максимальной.

Сложность вкуса в сифоне также возрастает благодаря стабильной и достаточно высокой температуре воды, которая позволяет выявить более широкий спектр кислот также как при полном погружении.

https://medium.com/@mmdsl28/understanding-coffee-brewing-dynamics-f2c81d62c05a

expert-cm.ru

Диффузия в домашних опытах - HintFox

Цель работы: доказать, что диффузия зависит от температуры; oo рассмотреть примеры диффузии в домашних опытах; oo убедиться, что диффузия в разных веществах происходит по- разному.

Актуальность: Диффузия доказывает, что тела состоят из молекул, которые находятся в беспорядочном движении; диффузия имеет большое значение в жизни человека, животных и растений, а также в технике

Что такое диффузия?

Диффузия- это самопроизвольное перемешивание соприкасающихся веществ, происходящее вследствие хаотического (беспорядочного)движения молекул.

Еще одно определение: диффузия diffusio - распространение, растекание, рассеивание) - процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной).

Диффузия происходит в жидкостях, твердых телах и газах. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т. к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твердого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896г. началось изучение проблемы.

Английский металлург Вильям Робертс - Аустин в простом эксперименте измерил диффузию золота в свинце. Он наплавил тонкий диск золота на конец цилиндра из чистого свинца длиной в 1 дюйм (2,45 см), поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 200[0]С, и держал его в печи 10 дней. Оказалось, что к> через весь цилиндр прошло вполне измеримое количество золота. Это еще раз доказывает. что скорость диффузии очень быстро возрастает с повышением температуры. Например, цинк диффундирует в медь при 300[0]С почти в 100 миллионов раз быстрее, чем при комнатной температуре.

Диффузия молекул протекает очень медленно. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным.

Зависит ли диффузия от температуры?

Явление диффузии можно пронаблюдать дома при заварке чая. При проведение опыта были использованы два стакана с холодной и горячей водой. При заваривании чая было выяснено, что в стакане с горячей водой процесс заваривания происходил быстрее.

В домашних условиях явление диффузии проявляется всюду. Когда мама на кухне режет лук, готовит курицу, варит обед или готовит маринад для заливки овощей, ароматы из кухни распространяется по всей квартире.

Я исследовал зависимость скорости распространения аромата духов в комнате от температуры: из одной части комнаты в другую аромат духов распространился за 20,53 сек. ; затем я разбрызгал духи около настольной лампы, время - 14,03 сек.

Вывод: Скорость диффузии повышается с температурой, так как увеличивается скорость движения молекул.

Диффузия вокруг нас.

Когда лучи солнца попадают в комнату, то можно наблюдать своеобразный >.

По этому поводу Лукреций Кар писал:

Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает

В наши жилища и мрак прорезает своими лучами,

Множество 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.

В комнатных пылинках благодаря диффузии содержатся частички плесени, молекулы тяжелых металлов, которые содержатся в мебели, отделочных материалах и других квартирных >. С легкостью справляются с токсическими веществами, растворенными в воздухе комнат, комнатные цветы: нефролепис, диффенбахия, молочай, плющ, пеларгония,сансевиерия и т. д. И все это происходит благодаря диффузии

Всем известный столетник (алоэ) способен снизить количество вредных микробов в 4раза, а кактус- опунция в 6-7 раз уменьшает численность плесневых грибов в воздухе. Табачный дым, покрытия из линолеума приносят вред нашему здоровью. Комнатные растения (фикус Бенджамина, традесканция, хлорофитум) могут поглощать и разлагать токсические вещества.

Исследование диффузии в овощах.

Опыт с яблоками

Были использованы яблоки разных сортов: >, >, >.

У яблок сорта > проникновение марганца было медленнее. Этот сорт яблок - зимний, возможно он менее сочный, а их структура более плотная.

Опыт с овощами

Для проведения опыта использованы следующие овощи: репа, морковь, кабачок, картофель

Через три часа было обнаружено, что проникновение марганца в кабачке, картофеле было больше, чем в репе и моркови. Репа и морковь имеют структуру более плотную, и глубина проникновения частиц марганца была меньше.

Диффузия и безопасность

Горючий газ-пропан, которым мы пользуемся дома для приготовления пищи, не имеет ни цвета. Поэтому трудно было бы сразу заметить утечку газа. А при утечке за счет диффузии газ распространяется по всему помещению. и мы ощущаем эту утечку по запаху. Между тем при определенном соотношении газа с воздухом в закрытом помещении образуется смесь, которая может взорваться. Например, от зажжённой спички. Газ может вызвать и отравление людей.

Выводы: oo При диффузии частицы одного вещества проникают в промежутки между частицами другого вещества , и вещества перемешиваются.

oo Скорость протекания диффузии увеличивается с ростом температуры.

oo Диффузия имеет большое значение в процессах жизнедеятельности человека, животных и растений.

www.hintfox.com

Диффузия: akuklev

Наш экспериментальный практикум — это попытка сделать нас физиками в понимании Фейнмана. Т.е. в первую очередь людьми, понимающими самые обыденные, окружающие нас повсюду феномены. К каждому опыту мы пишем протокол, состоящий из теоретической и практической части. Теоретическая часть должна быть оформлена, как глава из книжки по феноменологической физике. Начиная с введения, через исторический экскурс к наглядному, а затем и математически корректному теоретическому объяснению того, что мы собственно изучаем. Диффузию, испарение/кипение, гироскоп, преломление света и ещё много чего.По дороге объясняются также принципы работы всех устройств, которые во время опыта используются.

Писать теорию мне нравится. Пока пишешь, действительно понимаешь многие вещи. Например, различие между кипением и испарением, вообще сосуществование разных фазовых состояний, и все детали вокруг этого я понял именно когда писал теорию к "паровое давление воды". А уж какое удовольствие получаешь, выводя не подглядывая какую-нибудь формулу с двумя именами? Типа описания распределения зарядов в вакуумном диоде.

Решил чего-то перевести кусочек (около трети) теории протокола, который я писал вчера вечером.

Диффузия

Диффузия — это тенденция соприкасающихся веществ смешиваться. "Растворение" сигаретного дыма в воздухе или превращение белого молока и чёрного кофе в бежевое кофе с молоком — повседневные примеры простой, жидкостно-газовой диффузии.

В общем случае диффузия имеет место и в случае твёрдых тел — если ровно отшлифованный кусок золота положить на так же ровно отшлифованный кусок железа, через несколько десятилетий посередине можно будет обнаружить тонкий граничный слой, где железо и золото смешались. Растворение твёрдого тела в жидкости (например, сахара в чае) — тоже пример диффузии. Однако в следующем опыте мы не будем рассматривать такие сложные типы диффузии.

А рассмотрим мы самую обычную жидкостную диффузию дистиллированной воды и раствора метилена-синего в тонкой полости между двумя стеклянными пластинками.

Поможет нам в этом обычный карманный лазер. Карманный лазер свободно проходит через чистую воду и отлично поглощается насыщенным раствором метилена-синего, что позволит нам легко измерять концентрацию при помощи фотодиода с узкой прорезью.

Измеряя эту концентрацию, как функцию позиции и времени, мы сможем показать, что изначально чёткая граница между слоями воды и метилена действительно расплывается по закону, предписываемому уравнением диффузии (теплопроводности). Свойства уравнения диффузии будут также проиллюстрированны при помощи варьирования условий, таких как начальная концентрация раствора метилена и температура жидкостей.

Теория

Тепловое (Броуновское) движение молекул
В 1827 года шотландский ботаник Роберт Браун обратил внимание на интересный феномен: Бактерии, которые он наблюдал под микроскопом в капле воды, постоянно беспорядочно дёргались. Чем меньше были объекты, там выраженней было это странное зигзагообразное движение.Расстояние, на которое объекты удалялись от исходной точки, зависело от времени по квадратно-коренному закону, что указывало на полную некоррелированность движения. Скорость движения росла при повышении температуры.

Объяснение странному феномену пришло спустя десятилетия. Молекулы в жидкостях и газах постоянно находятся в движении, меру которого определяет средняя кинетическая энергия молекул — то есть, по определению, температура. Благодаря бесчисленным столкновениям импульс и энергия постоянно перераспределяются между молекулами случайным, с макроскопической точки зрения, образом. Если в жидкость поместить чужеродную частицу, молекулы будут сталкиваться и с ней. Большие частицы испытывают множество столкновений со всех сторон, которые в среднем взаимонейтрализуются. Однако чем меньше частица, тем больше вероятность не скомпенсированных столкновений. Притом чем выше температура, тем сильнее удары частиц жидкости. Частица начинает выполнять те самые температурозависимые зигзагообразные движения, которые наблюдал Браун.

С молекулярно-кинетической точки зрения чужеродная частица ничем не отличается от молекул воды. Её кинетическая энергия в среднем соответствует средней кинетической энергии всех остальных молекул. Следовательно, средняя абсолютная скорость частицы обратно пропорциональна корню из её массе и пропорциональна корню из температуры.

Диффузия и Уравнение Теплопроводности
Если мы поместим в одном сосуде две разных жидкости, то через определённое время, благодаря тепловому движению они равномерно смешаются. (Тут мы пренебрегаем существованием внешних сил, таких как сила тяжести, которые способствуют разделению жидкостей. Мы также пренебрегаем дипольными взаимодействиями, которые могут в некоторых случаях противостоять смешиванию, напр. в случае пары вода + жиры)

Диффузия, также как теплопроводность, жидкостное трение, электрический ток и множество других процессов пространственного выравнивания, описывается т.н. уравнением теплопроводости. Вытекает это уравнение из двух простых соображений:

1) (Закон Фика) Поток молекул/тепла/зарядов/импульса направлен в сторону наименьшей их концентрации и пропорционален перепаду. Пустьc(x, t) — концентрация в точке x в момент t . Тогда поток j(x, t) пропорционален градиенту концентрации с коэффициентом -D:

2) Общее количество молекул/тепла/зарядов/импулса сохраняется. Следовательно, концентрация c в точке x уменьшается ровно настолько, сколько за это время уносит из неё поток.

Подставляя первое уравнение во второе, получаем:

Дивергенция градиента соответствует оператору Лапласа:

А дальше мне переводить уже было лень. Там вначале закон Фика из броуновского движения выводился, потом уравнение теплопроводности решалось, и т.д.

akuklev.livejournal.com


Смотрите также