Что такое диффузия газа

Что такое диффузия газа

Для газа диффузия – это распределение молекул примеси от источника (или взаимная диффузия газа).

Решаем одномерную задачу. Пусть в газе присутствует примесь с концентрацией n в точке с координатой х. Концентрация примеси зависит от координаты х (рис. 3.4).

Рис. 3.4

Градиент концентрации в общем случае равен:

При наличии grad n, хаотическое движение будет более направленным и возникнет поток молекул примеси, направленный от мест с большей концентрацией к местам с меньшей концентрацией. Найдём этот поток.

Пусть в плоскости с координатой х находится единичная площадка dS, перпендикулярная оси х. Подсчитаем число молекул, проходящих через площадку в направлении слева направо и справа налево , за время dt (рис. 3.4):

Источник

Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе

Содержание:

Определение

Само слово «диффузия» латинского происхождения – «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, рассеивание». В физике под диффузией подразумевается процесс взаимопроникновения микрочастиц при соприкосновении разных материалов. Академическое определение того, что такое диффузия, звучит следующим образом: «Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества вследствие их хаотичного движения и столкновения друг с другом». Какие свойства диффузии, причины ее возникновения, как проявляется этот процесс в разных веществах, об этом читайте далее.

Причины

Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).

Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO₄) и растворить в воде (H₂O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO₄-. Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ – OH-.

Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.

Вот так этот процесс выглядит схематически.

Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.

Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.

Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества.

Формула

Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения:

В этом уравнении J – плотность материала, D – коэффициент диффузии, а ac/dx – градиент концентрации двух веществ.

Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.

В твердых телах

В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.

Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.

В жидкостях

Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.

Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера выше) осуществляется за минуту.

В газах

В газах диффузия происходит еще быстрее, чем в жидкости, связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, и никак не сцепленные частицы легко перемешиваются друг с другом, проникая в молекулы других газов. Небольшие коррективы при диффузии газов может вносить разве только гравитация.

Примеры в окружающем мире

Значимый биологический процесс – фотосинтез осуществляется, в том числе и при помощи диффузии: как мы знаем, благодаря энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие, кислород, который выделяется при этом, попадает в атмосферу и поглощается всеми живыми организмами. Так вот, и сам процесс поглощения кислорода человеком и животными, и обмен веществ у растений, все это поддерживается диффузией, без которой не могла бы существовать сама Жизнь.

Но это в глобальном плане, в более простых вещах, мы можем наблюдать диффузию:

Таких примером можно приводить еще много.

Видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском языке – Diffusion.

Источник

Диффузия в газах

Диффузией молекул газа является процесс перемещения частичек вещества, обусловленный беспорядочным движением его молекул. Процесс диффузии осуществляется за счет разности концентрации вещества в разных точках занимаемого объема, результатом диффузии является равномерное распределение вещества по всему предоставленному объему.

Явление диффузии может наблюдаться в жидкостях, газах и твердых телах. Диффузия в газах является самым быстрым процессом, а в твердых телах – самым длительным. Такая разница существует из-за особенностей структуры вещества и свойств его молекул. Обычно явление диффузии рассматривается как проникновение одного вещества в другое, для газов это явление взаимопроникновения.

Явление диффузии в газах

Для любого необратимого процесса характерно воздействие внешних факторов на физическую систему. При таких условиях состояние физической системы выводится из состояния равновесия. Как известно, любая система стремится к равновесию.

Такие явления движения молекул представляют собой необратимый самопроизвольный процесс, сопровождающийся тепловым движением вследствие вывода системы из равновесия. Таким образом формируются потоки диффузии и импульса. Здесь играют роль два свойства импульса: его направление и направление перемещения импульса.

Согласно абсолютным значениям, любой поток будет равнозначен массе вещества, его внутренней энергии (теплопроводности) и его импульсу (вязкости). Глубокий молекулярно-кинетический анализ подобных процессов перемещения очень сложный из-за беспорядочного движения молекул и нарушения состояния физического равновесия. Это способствует отклонению распределения молекул в соответствии со скоростями Максвелла.

Процесс диффузии газов происходит таким образом. Диффузия характеризуется взаимопроникновением и перемешиванием молекул двух или более взаимодействующих физических систем. Самодиффузия происходит при смешивании молекул одного вещества, в газовой смеси диффузия происходит из-за разницы концентраций каждого из газов, составляющих смесь.

Не нашли что искали?

Просто напиши и мы поможем

В процессе диффузии происходит перемещение частиц из точки с большой концентрацией в точку с небольшой. Перемещение массы вещества во процессе диффузии описывается законом Фика:

где \(m\) – масса газа;
\(D\) – коэффициент диффузии;
\( \) – градиент плотности газа по оси x;
\(S\) – некоторая площадь, находящаяся перпендикулярно направлению перемещения массы;
\(t\) – время перемещения.

Во время диффузии газов вещество перемещается в сторону уменьшения плотности газа. Согласно молекулярно-кинетической теории, коэффициент диффузии показывает скорость перемещения молекул и определяется следующим выражением:

где \(u\) – среднеарифметическая скорость молекул;
\(λ\) – средняя длина свободного перемещения молекул.

где \(n_0\) – концентрация частиц газа.

Процесс перемещения в газах

Необратимые процессы, которые возникают в термодинамических неравномерных системах, называются явлениями перемещения. К ним относятся диффузия (перемещения массы), теплопроводность (перемещение тепла) и вязкость (перемещение импульса).

В процессе повышения температуры диффузия газов значительно ускоряется, а при росте давления наоборот замедляется. При этом диффузия тяжелых молекул происходит медленнее, чем более легких.

Вязкость имеет место во время трения при параллельном движении слоев газа или жидкости с разными по значению скоростями.

В процессе перемещения любого тела в жидкости или газе во время его взаимодействия с молекулами оно передает им импульс. Точно так же и тело получает от молекул импульс противоположного направления. В подобном случае имеет место ускорение газа и замедление тела под действием сил трения. Такая же сила возникает при движении двух соприкасающихся газов, которые распространяются с разной скоростью.

Причиной внутреннего трения газов является перемещение импульса между слоями. Сила трения при этом пропорциональна градиенту скорости согласно закону Ньютона:

где \(n\) – коэффициент динамической вязкости, который зависит от плотности газа.

Этот коэффициент показывает значение импульса, перемещаемого за единицу времени сквозь единицу площади при единичном градиенте скорости. Коэффициент динамической вязкости газов не зависим от давления, но зависим от температуры.

Сложно разобраться самому?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Теплопроводность описывает перемещение внутренней энергии между газовыми слоями. При возникновении разницы температур между двумя соседними слоями газа, начинается теплообмен.
Благодаря беспорядочному движению молекул в смежных слоях происходит выравнивание их внутренних энергий. В итоге будет наблюдаться энергетическое перемещение от теплых слоев к менее нагретым. Согласно закону Фурье тепловой поток \(q\) будет пропорционален градиенту температуры и рассчитывается по формуле:

Вакуум и разрежение газов

Разреженный газ – это такой газ, плотность которого на столько мала, что средняя длина перемещения молекул \(λ\) равна линейным размерам сосуда, в котором находится газ. Такое состояние газа является вакуумом.

Различают несколько степеней вакуума:
низкая ( \(λ );
средняя ( \(λ=1\) );
высокая ( \(λ>1\) );
сверхвысокая ( \(λ≫1\) ).

Разреженные и не разреженные газы отличаются своими характеристиками. При откачивании газа из сосуда будет уменьшаться давление, при этом число столкновений молекул за единицу времени будет уменьшаться, следствием чего будет увеличиваться длина перемещения молекул.

Создание вакуума имеет огромное значение в сфере науки и техники. Вакуум применяется в большинстве сегодняшних электронных приборах, комплектующие которых просто невозможно создать без вакуума.

Источник

Диффузия

Цель: расширить знания о диффузии, объяснить физическую природу явления диффузии, подтвердить теоретические факты опытными результатами, обобщить приобретённые знания и сделать выводы

Диффузия – это взаимное проникновение одного вещества между молекулами другого.

Большую роль в жизни живой природы играют диффузионные процессы, определяющие нормальный обмен веществ между организмом и средой, а также между различными частями самого организма. Питание и дыхание – типичные диффузионные процессы. В процессе дыхания происходит диффузия кислорода О₂ и углекислого газа СО₂ через стенку легочного пузырька. Для понимания этих процессов необходимо учитывать условия, обеспечивающие или затрудняющие диффузию. Так, дыхание – диффузия кислорода из окружающей среды внутрь организма сквозь его покровы – происходит тем быстрее, чем больше поверхность соприкосновения тела и окружающей среды, и тем медленнее, чем толще и плотнее покровы тела. Отсюда понятно, что малые организмы, у которых размеры поверхности велики сравнительно с объемом тела, могут обходиться вовсе без специальных органов дыхания, удовлетворяясь притоком кислорода исключительно через наружную оболочку (если она достаточно тонка и увлажнена). У организмов более крупных дыхание через кожу может оказаться более или менее достаточным только при условии, если покровы чрезвычайно тонки (земноводные); при грубых покровах необходимы специальные органы дыхания. Основные физические требования к этим органам – максимум поверхности и минимум толщины и увлажненность покрова.

Бесспорно, анализируя этот аспект жизнедеятельности всех живых существ, диффузия играет огромную роль.

Проведем ряд опытов, доказывающих практическую значимость диффузии.

«Диффузия в жидкостях»

(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 10, «Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах», рис. 24, задание после параграфа № 2.)

Предметы и материалы

Проводим эксперимент

Капнем в воду немного йода и проследим за ее поведением.

Гипотеза

Действительно ли капля йода постепенно раствориться в воде, окрасив ее в соответствующий цвет.

Объясняем

«Сцепление свинцовых цилиндров»

(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 11, «Взаимное притяжение и отталкивание молекул», рис. 26.)

Предметы и материалы

Проводим эксперимент

Перед началом опыта необходимо тщательно зачистить стугом свинцовые поверхности цилиндров. Устанавливаем цилиндры в устройство для фиксации, прижав их друг к другу зачищенными поверхностями прижимным винтом. Закручиваем прижимной винт. Подождав некоторое количество времени можно слабить прижимной винт, достать сцепленные цилиндры.

Гипотеза

Действительно ли два свинцовых цилиндра будут соединены между собой.

Объясняем

Зачищение свинцовых цилиндров необходимо для того, чтобы максимально выровнить поверхности и очистить от окисления. Тем самым мы добиваемся наиболее плотного прилегания одной поверхности к другой. На данном этапе очень хорошо заметно проявление сил притяжения между молекулами, когда они находятся очень близко друг к другу. Но чем дольше цилиндры будут сцеплены и находясь под некоторым грузом, все отчетливее будет взаимное проникновение молекул одного цилиндра между молекулами другого – диффузия.

«Зависимость диффузии от температуры»

(учебник «Физика. 7 класс» А.В. Перышкин, Дрофа, 2012. Параграф 10, «Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах», задание после параграфа № 1.)

Предметы и материалы

Проводим эксперимент

Нальем в один стакан воду комнатной температуры, а в другой горячую воду. Опустим в каждый из стаканов по одной чайной ложке сахара.

Гипотеза

Действительно ли в стакане с горячей водой сахар раствориться быстрее.

Объясняем

Нам известно, что при любой температуре в веществе есть молекулы, двигающиеся довольно медленно, и молекулы, скорость которых высока. Если количество молекул вещества, имеющих высокую скорость, увеличивается, т. е. увеличивается средняя скорость молекул, то это значит, что температура вещества также увеличивается. Чем быстрее будут двигаться молекулы воды, тем чаще они будут соударяться с молекулами сахара, и тем быстрее будет происходить процесс взаимного перемешивания одного вещества с другим. С увеличением температуры процесс взаимного проникновения молекул воды между молекулами сахара – диффузия – происходит гораздо быстрее.

На практике

В природе

Интересные факты о диффузии

Около 27 тонн космической пыли падает на Землю каждый день. За год более 10 000 тонн пыли приземляется на Землю.

Если очень гладко отшлифованные пластинки свинца и золота положить одна на другую и поставить на них некоторый груз, то через 4-5 лет они проникнут взаимно друг друга на 1 мм.

В сказках диффузия помогает героям. Отрывок из ассирийской сказки «Царь Зимаз»: «Был у царя умный советник Аяз, которого он очень уважал. Как обычно бывает в таких случаях, у Аяза были враги, которые его оклеветали перед царем, и тот, послушав их, заключил его в тюрьму. Когда к Аязу пришла жена, он велел ей поймать большого муравья, привязать к его лапке крепкую нитку длиной сорок метров, к свободному концу её привязать верёвку такой же длину и пустить муравья по наружной стене тюрьмы в указанном месте. Как сказал Аяз, так жена и сделала. Сам же Аяз накрошил на окно камеры сахара и муравей по запаху сахара добрался до камеры, где сидел Аяз».

А пословицы – это сплошная диффузия:

«Как муравьи находят путь домой?»

Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости, они прижимаются брюшком к земле и передают ей свой запах. Некоторые муравьи не всегда бегут точно по намеченному пути, а сбоку от трассы, потому что запах достаточно силен. Потеряв след, они кругами вновь находят «дорогу» и спешат по ней. Муравьиные трассы бывают длиной несколько метров.

Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем.

А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьет воду, получает из почвы различные микродобавки.

Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи.

Экология окружающей среды ухудшается за счёт выбросов в атмосферу, в воду химических и прочих вредных веществ, и это всё распространяется и загрязняет огромные территории. А вот деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии.

На принципе диффузии основано перемешивание пресной воды с соленой при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.

Источник

Физика Б1.Б8.

Молекулярная физика и термодинамика

1. Введение

Основы молекулярной физики были заложены трудами Ломоносова, Джоуля, Больцмана, Клаузиуса, Максвелла и других ученых. Благодаря их трудам молекулярная физика прочно утвердилась в науке. Непосредственным опытным подтверждением молекулярно-кинетической теории являются процесс диффузии, броуновского движения, распространения запаха и многие другие явления.

Движение каждой молекулы в веществе может быть описано законами классической механики. Однако число молекул в веществе чрезвычайно велико, направления и величины скоростей молекул совершенно случайны и непрерывно изменяются так, что становится невозможным охватить уравнениями движения всю совокупность молекул и сделать какие-либо выводы об их поведении.

Тем не менее, состояние вещества и его изменение определяется заданием небольшого числа определенных параметров, как температура, давление, объем, плотность и т.д., значения которых невозможно указать на основе решений уравнений классической механики. Дело в том, что свойства огромного числа молекул подчиняется особым, статистическим закономерностям. Статистическая физика изучает статистические закономерности, описывающие поведение большой совокупности объектов. Она основывается на теории вероятностей и позволяет вычислять средние значения величин, характеризующих движение всей совокупности молекул (средние скорости молекул, средние кинетические энергии, средние значения импульса и т. д.) и на этой основе истолковывает свойства вещества, непосредственно наблюдаемые на опыте (давление, температура и т.д.). В этом состоит суть молекулярно-кинетического изучения вещества.

Наряду со статистическим, существует термодинамический метод изучения вещества. В отличие от статистического метода термодинамический метод не интересуется строением вещества. Термодинамика изучают условия превращения энергии и характеризует их с количественной стороны.

В основе термодинамики лежит небольшое число закономерностей, установленных на основе большого числа опытных фактов и получивших название начала термодинамики.

У статистической физики и термодинамики общий предмет изучения – свойства вещества и происходящие в нем процессы. Подходя к изучению этих свойств с разных точек зрения, эти методы взаимно дополняют друг друга.

Совокупность тел, могущих обмениваться энергией между собой и с внешними телами, не входящими в эту систему, называется термодинамической системой. Одним из основных понятий термодинамики является понятие состояния системы. Состояние системы определяется совокупностью значений всех величин, характеризующих физические свойства системы и называемых термодинамическими параметрами (температура, давление плотность, теплоемкость, электропроводность и т. д.). Состояние системы называется стационарным, если значения всех термодинамических параметров не изменяются во времени. Стационарное состояние называется равновесным, если его неизменность не обусловлена протеканием каких-либо процессов во внешних по отношению к данной системе телах.

Исследования показывают, что параметры состояния тел взаимно связаны и могут быть выражены друг через друга. Поэтому термодинамическое состояние задается только ограниченным числом параметров состояния. Такие параметры называются основными параметрами состояния. Важнейшими параметрами состояния химически однородных систем являются плотность, объем, давление, температура. И между этими параметрами существует связь, выражаемая в виде математического уравнения . Уравнение, связывающее основные параметры состояния, называется уравнением состояния системы.

Источник