Почему скорость диффузии зависит от температуры. Диффузия в твердых телах, жидкостях и газах: определение, условия

Cтраница 1

Зависимость скорости диффузии от состава стали Геллер и Так-Го Сун объясняют тем, что наличие в металле добавок, обладающих большим или меньшим сродством к водороду, чем железо, приводит к соответствующему изменению коэффициента диффузии, а следовательно, к изменению энергии активации процесса диффузии.

Зависимость скорости диффузии низкомолекулярных ве-щест в в кристаллизующихся сополимерах от состава цепи приведена на рис. 5.14, 5.15. Можно видеть, что по мере амор-физации матрицы различия между DKP и Аш уменьшаются, а в средней области составов сополимеров (/ кр 0) они совпадают между собой.

Зависимость скорости диффузии примесных элементов в твердом растворителе от размера зерна общеизвестна.

Вследствие зависимости скорости диффузии от температуры способность ОВ проникать в лаковые и прочие покрытия в зимних условиях очень низка. Например, при - 10 С практически ОВ не проникают в лакокрасочные покрытия.

Типы кинетич. кривых сорбции (1 и десорбции (2. обозначения в тексте.| Наиболее распространенные формы ячеек сотопласта. а - шестигранная, б - прямоугольная, б - гибкая, г - усиленная шестигранная, 9 - квадратная (разновидность прямоугольной.

Поскольку зависимость скоростей диффузии и релаксации от темп-ры и концентрации не одинакова, при одних темп-рных и концентрационных условиях С. Поэтому при изменении темн-ры и концентрации возможен переход от С.

Типы кинетич. кривых сорбции (1 и десорбции (2. обозначения в тексте.| Наиболее распространенные формы ячеек сотопласта. а - шестигранная, б - прямоугольная, в - гибкая, г - - усиленная шестигранная, д - квадратная (разновидность прямоугольной.

Поскольку зависимость скоростей диффузии и релаксации от темп-ры и концентрации не одинакова, при одних темп-рных и концентрационных условиях С. Поэтому при изменении темп-ры и концентрации возможен переход от С.

Представьте график зависимости скорости диффузии и скорости химической реакции от температуры для гетерогенной реакции и укажите, в каком интервале температур реакция протекает в диффузионной области, а в каком - в кинетической.

Весьма важно знать зависимость скорости диффузии от диаметра дуги.

Также легко объяснить зависимость скорости диффузии от температуры. Более высокая температура означает более высокие молекулярные скорости и более быструю диффузию. Наличие градиентов температуры приводит к возникновению термической диффузии. Явление термической диффузии заключается в том, что наличие градиента температуры в смеси двух газов приводит к возникновению градиента относительных концентраций этих компонентов. Если смесь, как целое, находится в состоянии покоя, градиент концентрации при равновесии будет таким, что действие термической диффузии уравновешивается действием обыкновенной диффузии.

Также легко уяснить себе зависимость скорости диффузии от температуры и давления. Более высокая температура означает более высокие молекулярные скорости и более быструю диффузию. Более высокое давление означает меньшую длину свободного пути и более медленную диффузию.

Также легко уяснить себе зависимость скорости диффузии от температуры. Более высокая температура означает более высокие молекулярные скорости и более быструю диффузию. Наличие температурных градиентов приводит к возникновению термической диффузии. Явление термической диффузии заключается в том, что наличие градиента температур в смеси двух газов приводит к возникновению градиента относительных концентраций этих компонентов.

В настоящей работе выяснялась зависимость скорости диффузии ионов меди в стекло от природы и количества в стекле щелочных окислов, а также от природы окислов щелочноземельных элементов.

Cтраница 1

Скорость диффузии к месту кристаллизации, а следовательно, и роста кристаллов в значительной степени зависят от вязкости среды и возрастают с уменьшением вязкости.

Скорость диффузии растет с увеличением температуры.

Схема механизмов диффузии.

Скорость диффузии определяется количеством вещества т, диффундирующего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени. Количество Диффундирующего (в единицу времени) вещества m зависит от градиента концентрации dC / dx элемента в направлении, нормальном к поверхности раздела и пропорционально коэффициенту диффузии D: т - D (dC / dx), где dC - концентрация; dx - расстояние в выбранном направлении.

Скорость диффузии значительно понижается, если металл слегка окислен. Палладий и некоторые другие металлы особенно разрушаются предварительной термической обработкой. Хем нашел, что скорость диффузии для нового пассивного палладия падает на одну пятидесятую своей первоначальной величины после нагревания в течение нескольких часов до 1000 С. Проницаемость возвращается нагреванием до 500 С в кислороде, причем образуется кислородная пленка, затем восстанавливаемая обработкой водородом при 150 С. Нагревание в азоте повышает проницаемость палладия. Баукло и Кайзер [ 5а ] нашли, что скорость диффузии водорода через никель остается постоянной до 850 С и постепенно падает при более высоких температурах. Через шесть часов при 1060 С скорость уменьшается на 30 % первоначальной величины.

Скорость диффузии зависит также от предварительной термической обработки металла, через который происходит диффузия. Если свежеприготовленный препарат палладия, освобожденный от газа, дает определенную скорость диффузии при 300 и 760 мм давления, то другой препарат палладия может потребовать нагревания, например, до 600 при 760 мм давления, чтобы дать ту же скорость диффузии. Если железо находилось в контакте с азотом, то скорость диффузии водорода может быть в 10 - 15 раз выше, однако кривые диффузии совпадают с их прежним положением при нагревании до более высоких температур.

Скорости диффузии играют также решающую роль при реакциях между полимером и реагентами, молекулы которых имеют небольшие размеры. Если, например, скорость диффузии кислорода в каучук недостаточно велика для поддержания его постоянной концентрации в образце полимера, то диффузия становится процессом, определяющим скорость реакции, и все попытки количественных кинетических измерений будут безуспешными. Такие же эффекты возможны и при гетерогенных реакциях гидролиза.

Скорость диффузии пропорциональна общей концентрации раствора и сильно увеличивается с повышением температуры. В свою очередь ускорение диффузии приводит к ускорению электролиза. Так, например, при электролизе с перемешиванием из холодного раствора SnQ4 0 2 г олова выделяются током силой 1 5 - 1 7 а за 70 мин, а из горячего всего лишь за 30 мин.

Скорость диффузии, по-видимому, должна снижаться при уменьшении диаметра пор, причем точная функциональная зависимость между этими величинами определится типом диффузии внутри пор. Рассмотрим случай с катализатором, содержащим настолько мелкие частицы металлического палладия, что они распределены по поверхности активированного угля о одинаковой плотностью независимо от диаметра пор.

Скорость диффузии и испарения в турбулентном потоке определяются такими характеристиками, как интенсивность и масштаб турбз лентности.

Скорость диффузии определяется разностью концентраций, температурой и вязкостью среды.

Скорость диффузии

Диффузия относится к наиболее простым явлениям, которые изучаются в рамках курса физики. Этот процесс можно представить на бытовом ежедневном уровне.

Диффузия представляет собой физический процесс взаимного проникновения атомов и молекул одного вещества между такими же структурными элементами другого вещества. Итогом этого процесса становится выравнивание уровня концентрации в проникающих соединениях. Диффузию или смешивание можно видеть каждое утро на собственной кухне, когда происходит приготовление чая, кофе или иных напитков, в состав которых входит несколько основных компонентов.

Подобный процесс первый раз смог научно описать Адольф Фик в середине 19 века. Он дал ему оригинальное название, которое переводится с латинского языка как взаимодействие или распространение.

Скорость диффузии зависит от нескольких факторов:

температуры тела;
агрегатного состояния исследуемого вещества.

В различных газах, где существуют очень большие расстояние между молекулами, скорость диффузии будет самой большой. В жидкостях, где расстояние между молекулами заметно меньше, скорость также уменьшает свои показатели. Самая маленькая скорость диффузии отмечается в твердых телах, поскольку в молекулярных связях наблюдается строгий порядок. Атомы и молекулы сами совершают незначительные колебательные движения на одном месте. Скорость протекания диффузии увеличивается при росте окружающей температуры.

Закон Фика

Замечание 1

Скорость диффузии принято измерять количеством вещества, которое переносится за единицу времени. Все взаимодействия должны осуществляться через площадь поперечного сечения раствора.

Основной формулой скорости диффузии является:

$\frac{dm}{dt}=-DC\frac{dC}{dx}$, где:

$D$ - это коэффициент пропорциональности,
$S$ - площадь поверхности, а знак «-» обозначает, что диффузия идет из области большей концентрации в меньшую.

Такую формулу представил в виде математического описания Фик.

Согласно ей, скорость диффузии прямо пропорциональна градиенту концентрации и площади, через которую осуществляется процесс диффузии. Коэффициент пропорциональности определяет диффузию вещества.

Известный физик Альберт Эйнштейн вывел уравнения для коэффициента диффузии:

$D=RT/NA \cdot 1/6\pi\etaŋr$, где:

$R$- это универсальная газовая постоянная,
$T$- абсолютная температура,
$r$- радиус диффундирующих частиц,
$D$- коэффициент диффузии,
$ŋ$- вязкость среды.

Из этих уравнений следует, что скорость диффузии будет возрастать:

при повышении температуры;
при повышении градиента концентрации.

Скорость диффузии уменьшается:

при увеличении вязкости растворителя;
при увеличении размера диффундирующих частиц.

Если молярная масса увеличивается, тогда коэффициент диффузии уменьшается. В этом случае скорость диффузии также уменьшается.

Ускорение диффузии

Существуют различные условия, которые способствуют ускорению протекания диффузии. Быстрота диффузии зависит от агрегатного состояния исследуемого вещества. Большая плотность материала замедляет химическую реакцию. На скорость взаимодействия молекул влияет температурный режим. Количественной характеристикой скорости диффузии является коэффициент. В системе измерений СИ его обозначают в виде латинской большой буквы D. Он измеряется в квадратных сантиметрах или метрах на секунду времени.

Определение 1

Коэффициент диффузии равняется количеству вещества, которое распределяется среди другого вещества через определенную единицу поверхности. Взаимодействие должно осуществляться на протяжении единицы времени. Для эффектного решения задачи необходимо добиться условия, когда разность плотностей на обеих поверхностях будет равна единице.

Также на скорость диффузии в твердых телах, жидкости в газах влияет давление и излучение. Излучение может быть разных видов, в том числе индукционное, а также высокочастотное. Диффузия начинается при воздействии определенного вещества-катализатора. Они часто выступают в роли пускового механизма для возникновения стабильного процесса рассеивания частиц.

При помощи уравнения Аррениуса описывают зависимость коэффициента от температуры. Оно выглядит следующим образом:

$D = D0exp(-E/TR)$, где:

$Т$ – абсолютная температура, которая измеряется в Кельвинах,
$E$ – минимально необходимая для диффузии энергия.

Формула позволяет больше понять о характерных чертах всего процесса диффузии и определяет скорость реакции.

Специальные методы диффузии

Сегодня практически нельзя применить обычные методы для определения молекулярного веса белков. Они обычно основаны на измерении:

упругости пара;
повышения температуры кипения;
понижения температуры замерзания растворов.

Для эффективного решения задачи применяются специальные методы, которые разработаны для исследования веществ с высокой молекулярной структурой. Они предполагают определение скорости диффузии или вязкости растворов.

Метод определения ориентации и формы пор по скорости диффузии основан на исследовании скоростей диализа. В мембране должна происходить в этот момент свободная диффузия.

Также для определения скорости диффузии натрия могут применяться различные радиоизотопы. Такой специальный метод применяется для решения поставленных задач в сфере минералогии и геологии.

Активно применяется метод диффузии, который основан на определении диффузии макромолекул в растворе. Он был разработан для полимерных материалов. Согласно методу, идет определение коэффициента диффузии, а затем по этим данным узнают среднемассовую молекулярную массу.

В настоящее время отсутствуют прямые методы определения скорости диффузии водорода в катализаторе. Для этого используется так называемый второй путь активации.

Для определения скорости принято использовать специальные приборы. Они отличаются по виду от поставленных практических и научных задач.

Среди многочисленных явлений в физике процесс диффузии относится к одним из самых простых и понятных. Ведь каждое утро, готовя себе ароматный чай или кофе, человек имеет возможность наблюдать эту реакцию на практике. Давайте узнаем больше об этом процессе и условиях его протекания в разных агрегатных состояниях.

Что такое диффузия

Данным словом именуется проникновение молекул или атомов одного вещества между аналогичными структурными единицами другого. При этом концентрация проникающего соединений выравнивается.

Впервые этот процесс был подробно описан немецким ученым Адольфом Фиком в 1855 г.

Название данного термина было образовано от латинского diffusio (взаимодействие, рассеивание, распространение).

Диффузия в жидкости

Рассматриваемый процесс может происходить с веществами во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Чтобы отыскать практические примеры этого, стоит просто заглянуть на кухню.

Варящийся на плите борщ - это один из них. Под действием температуры молекулы глюкозинбетанина (вещества, благодаря которому свекла обладает таким насыщенным алым цветом) равномерно реагируют с молекулами воды, придавая ей неповторимый бордовый оттенок. Данный случай - это в жидкостях.

Помимо борща, данный процесс можно увидеть и в стакане чая или кофе. Оба эти напитка имеют столь равномерный насыщенный оттенок благодаря тому, что заварка или частички кофе, растворяясь в воде, равномерно распространяются между ее молекулами, окрашивая ее. На этом же принципе построено действие всех популярных растворимых напитков девяностых: Yupi, Invite, Zuko.

Взаимопроникновение газов

Атомы и молекулы, переносящие запах, находятся в активном движении и вследствие него перемешиваются с частицами, уже содержащимися в воздухе, и довольно равномерно рассеиваются в объеме помещения.

Это проявление диффузии в газах. Стоит отметить, что само вдыхание воздуха тоже относится к рассматриваемому процессу, как и аппетитный запах свежеприготовленного борща на кухне.

Диффузия в твердых телах

Кухонный стол, на котором стоят цветы, застелен скатертью яркого желтого цвета. Подобный оттенок она получила благодаря способности диффузии проходить в твердых телах.

Сам процесс придания полотну какого-то равномерного оттенка проходит в несколько этапов следующим образом.

Частички желтого пигмента диффундировали в красильной емкости по направлению к волокнистому материалу.
Далее они были впитаны внешней поверхностью окрашиваемой ткани.
Следующим шагом была снова диффузия красителя, но на этот раз уже внутрь волокон полотна.
В финале ткань зафиксировала частички пигмента, таким образом окрасившись.

Диффундирование газов в металлах

Обычно, говоря об этом процессе, рассматривают взаимодействия веществ в одинаковых агрегатных состояниях. Например, диффузия в твердых телах, твердых веществах. Для доказательства этого явления проводится опыт с двумя прижатыми друг к другу металлическими пластинами (золото и свинец). Взаимопроникновение их молекул происходит довольно долго (один миллиметр за пять лет). Этот процесс используется для изготовления необычных украшений.

Однако диффундировать способны и соединения в разных агрегатных состояниях. К примеру, существует диффузия газов в твердых телах.

В процессе экспериментов было доказано, что подобный процесс протекает в атомарном состоянии. Для его активации, как правило, нужно значительно повышение температуры и давления.

Примером такой газовой диффузии в твердых телах является водородная коррозия. Она проявляется в ситуациях, когда возникшие в процессе какой-нибудь химической реакции атомы водорода (Н 2) под действием высоких температур (от 200 до 650 градусов Цельсия) проникают между структурными частицами металла.

Помимо водорода, в твердых телах диффузия кислорода и других газов также способна происходить. Этот незаметный глазу процесс приносит немало вреда, ведь из-за него могут рушиться металлические сооружения.

Диффундирование жидкостей в металлах

Однако не только молекулы газов могут проникать в твердые тела, но и жидкостей. Как и в случае с водородом, чаще всего такой процесс приводит к коррозии (если речь идет о металлах).

Классическим примером диффузии жидкости в твердых телах является коррозия металлов под воздействием воды (Н 2 О) или растворов электролитов. Для большинства этот процесс более знаком под названием ржавления. В отличие от водородной коррозии, на практике с ним приходится сталкиваться значительно чаще.

Условия ускорения диффузии. Коэффициент диффузии

Разобравшись с тем, в каких веществах может происходить рассматриваемый процесс, стоит узнать об условиях его протекания.

В первую очередь быстрота диффузии зависит от того, в каком агрегатном состоянии пребывают взаимодействующие вещества. Чем больше в котором происходит реакция, тем медленнее ее скорость.

В связи с этим диффузия в жидкостях и газах всегда будет проходить более активно, нежели в твердых телах.

К примеру, если кристаллы перманганата калия KMnO 4 (марганцовка) бросить в воду, они в течение нескольких минут придадут ей красивый малиновый цвет. Однако если посыпать кристаллами KMnO 4 кусочек льда и положить все это в морозилку, по прошествии нескольких часов перманганат калия так и не сможет полноценно окрасить замороженную Н 2 О.

Из предыдущего примера можно сделать еще один вывод об условиях диффузии. Помимо агрегатного состояния, на скорость взаимопроникновения частиц влияет также и температура.

Чтобы рассмотреть зависимость от нее рассматриваемого процесса, стоит узнать о таком понятии, как коэффициент диффузии. Так называется количественная характеристика ее скорости.

В большинстве формул она обозначается при помощи большой латинской литеры D и в системе СИ измеряется в квадратных метрах на секунду (м²/с), иногда - в сантиметрах за секунду (см 2 /м).

Коэффициент диффузии равен количеству вещества, рассеивающегося через единицу поверхности на протяжении единицы времени, при условии, что разность плотностей на обеих поверхностях (расположенных на расстоянии равном единице длины) равна единице. Критерии, определяющие D, - это свойства вещества, в котором происходит сам процесс рассеивания частиц, и их тип.

Зависимость коэффициента от температуры можно описать при помощи уравнения Аррениуса: D = D 0exp (-E/TR).

В рассмотренной формуле Е - минимальная энергия, необходимая для активации процесса; Т - температура (измеряется по Кельвину, а не Цельсию); R - постоянная газовая, характерная для идеального газа.

Помимо всего вышеперечисленного, на скорость диффузии в твердых телах, жидкости в газах влияет давление и излучение (индукционное или высокочастотное). Кроме того, многое зависит от наличия катализирующего вещества, часто именно оно выступает в роли пускового механизма для начала активного рассеивания частиц.

Уравнение диффузии

Данное явление - частный вид уравнения дифференциального при частных производных.

Его цель - отыскать зависимость концентрации вещества от размеров и координат пространства (в котором оно диффундирует), а также времени. При этом заданный коэффициент характеризует проницаемость среды для реакции.

Чаще всего уравнение диффузии записывают следующим образом: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x .

В нем φ (t и r) — плотность рассеивающегося вещества в точке r во время t. D (φ, r) — диффузии обобщенный коэффициент при плотности φ в точке r.

∇ — векторный дифференциальный оператор, компоненты которого по координатам относятся к частным производным.

Когда коэффициент диффузии зависим от плотности, уравнение является нелинейным. Когда нет — линейным.

Рассмотрев определение диффузии и особенности данного процесса в разных средах, можно отметить, что он имеет как положительные, так и отрицательные стороны.

Физика — одна из самых интересных, загадочных и в то же время логичных наук. Она объясняет все, что можно объяснить даже то, как чай становится сладким, а суп соленым. Истинный физик сказал бы иначе: так протекает диффузия в жидкостях.

Диффузия

Диффузия — это волшебный процесс проникновения мельчайших частиц одного вещества в межмолекулярные пространства другого. Кстати, такое проникновение взаимно.

Знаете, как это слово переводится с латыни? Растекание, распространение.

Как протекает диффузия в жидкостях

Диффузия может наблюдаться при взаимодействии любых веществ: жидких, газообразных и твердых.

Чтобы узнать, как протекает диффузия в жидкостях, можно попробовать бросить несколько крупинок краски, молотого грифеля или, например, марганцовки в прозрачный сосуд с чистой водой. Лучше, если сосуд этот будет высоким. Что мы увидим? Сначала кристаллики под действием силы тяжести опустятся на дно, но через некоторое время вокруг них появится ореол окрашенной воды, который будет растекаться и растекаться. Если не подходить к данным сосудам хотя бы несколько недель, мы обнаружим, что вода окрасится практически полностью.

Еще один наглядный пример. Для того чтобы сахар или соль растворились быстрее, их нужно размешать в воде. Но если этого не сделать, сахар или соль самостоятельно растворятся через некоторое время: чай или компот станут сладкими, а суп или рассол - солеными.

Как протекает диффузия в жидкостях: опыт

Для того чтобы определить, как скорость диффузии зависит от температуры вещества, можно провести небольшой, но весьма показательный опыт.

Возьмем два стакана одинакового объема: один — с холодной водой, другой — с горячей. Насыпаем в оба стакана равное количество растворимого порошка (например, кофе или какао). В одном из сосудов порошок начнет растворяться интенсивнее. Знаете, в каком именно? Догадаетесь? Там, где температура воды выше! Ведь диффузия протекает в ходе беспорядочного хаотичного движения молекул, а при высоких температурах это движение происходит намного быстрее.

Диффузия может происходить в любых веществах, различается лишь время протекания этого явления. Самая высокая скорость — в газах. Именно поэтому нельзя хранить в холодильнике сливочное масло рядом с селедкой или салом, натертым мелко порубленным чесноком. Далее следуют жидкости (от меньшей плотности к наибольшей). И самая медленная — диффузия твердых тел. Хотя на первый взгляд диффузии в твердых телах не бывает.