Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Дифузія



План:


Введення

Схема дифузії через напівпроникну мембрану

Дифузія лат. diffusio - Розповсюдження, розтікання, розсіювання, взаємодія) - процес взаємного проникнення молекул однієї речовини між молекулами іншого, призводить до мимовільного вирівнюванню їх концентрацій по всьому займаному обсягу [1]. У деяких ситуаціях одне з речовин вже має вирівняну концентрацію і говорять про дифузії однієї 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, поширення запахів) або рідин (якщо у воду капнути чорнила, то рідина через деякий час стане рівномірно пофарбованої). Інший приклад пов'язаний з твердим тілом: атоми дотичних металів перемішуються на кордоні дотику. Важливу роль дифузія частинок грає в фізики плазми.

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

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.


1. Загальний опис

Усі види дифузії підкоряються однаковим законам. Швидкість дифузії пропорційна площі поперечного перерізу зразка, а також різниці концентрацій, температур або зарядів (у 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 випадку 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, легші ізотопи проникають через мембрану швидше, ніж важкі. Для кращого поділу процес проводиться у кілька етапів. Цей процес широко застосовувався для розділення ізотопів урану (відділення 235 U від основної маси 238 U). 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.


2. 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

J ~ - \ Left (\ frac {\ partial \ mu} {\ partial x} \ right) _ {p, T}

У більшості практичних випадків замість хімічного потенціалу застосовується концентрація C. Пряма заміна μ на C стає некоректною у 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:

J = - D \ frac {\ partial C} {\ partial x}

яка показує, що щільність потоку речовини J [ cm - 2 s - 1 ] Пропорційна коефіцієнту дифузії D [( cm 2 s - 1 )] 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):

\ Frac {\ partial C} {\ partial t} = D \ frac {\ partial ^ 2 C} {\ partial x ^ 2}

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

Додаткове поле, накладене паралельно градієнту хімічного потенціалу, порушує стаціонарний стан. У цьому випадку дифузійні процеси описуються нелінійним рівнянням Фоккера-Планка. Процеси дифузії мають велике значення в природі:

  • Харчування, дихання тварин і рослин;
  • Проникнення кисню з крові в тканини людини.

2.1. Геометричне опис рівняння Фіка

У другому рівнянні Фіка в лівій частині стоїть швидкість зміни температури в часі, а в правій частині рівняння - друга приватна похідна, яка виражає просторовий розподіл температур, зокрема, опуклість функції розподілу температур, що проектується на вісь х.

Примітки

  1. Б. С. Бокшейн. Атоми блукають по кристалу. С. 9-11

Література

  • Бокштейн Б. С. Атоми блукають по кристалу - М .: Наука, 1984. - 208 с. - ( Бібліотечка "Квант". Вип. 28). - 150 000 прим .

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Дифузія в плазмі
Дифузія в кристалі
Обертальна дифузія
Поверхнева дифузія
© Усі права захищені
написати до нас