Что такое диффузия 7 класс физика определение
Диффузия
Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы.
Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность, вязкое трение и т. п.
Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.
Количественно описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком (англ.) в 1855 г.
Содержание
Общее описание
Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.
Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.
Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235 U от основной массы 238 U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.
Уравнения Фика
С точки зрения термодинамики движущим потенциалом любого выравнивающего процесса является рост энтропии. При постоянных давлении и температуре в роли такого потенциала выступает химический потенциал µ, обуславливающий поддержание потоков вещества. Поток частиц вещества пропорционален при этом градиенту потенциала
В большинстве практических случаев вместо химического потенциала применяется концентрация C. Прямая замена µ на C становится некорректной в случае больших концентраций, так как химический потенциал перестаёт быть связан с концентрацией по логарифмическому закону. Если не рассматривать такие случаи, то вышеприведённую формулу можно заменить на следующую:
которая показывает, что плотность потока вещества J [
] пропорциональна коэффициенту диффузии D [(
)] и градиенту концентрации. Это уравнение выражает первый закон Фика. Второй закон Фика связывает пространственное и временное изменения концентрации (уравнение диффузии):
Коэффициент диффузии D зависит от температуры. В ряде случаев в широком интервале температур эта зависимость представляет собой уравнение Аррениуса.
Дополнительное поле, наложенное параллельно градиенту химического потенциала, нарушает стационарное состояние. В этом случае диффузионные процессы описываются нелинейным уравнением Фоккера—Планка. Процессы диффузии имеют большое значение в природе:
Геометрическое описание уравнения Фика
Во втором уравнении Фика в левой части стоит скорость изменения концентрации во времени, а в правой части уравнения — вторая частная производная, которая выражает пространственное распределение концентрации, в частности, выпуклость функции распределения температур, проецируемую на ось х.
Диффузия
Из Википедии — свободной энциклопедии
Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения.
Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит с огромной скоростью. Если же стержень изготовлен из материала с низкой теплопроводностью (например, стекла), тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, Роберт Бойль показал, что если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь. При этом при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет. [3] Другой пример — систематические исследования диффузии свинца в золото, проведенные Уильямом Робертсом-Остеном и опубликованные в 1896 г. Под грузом за пять лет свинцовый слиток проник в золотой слиток на один миллиметр. [4]
Первое систематическое экспериментальное исследование диффузии было выполнено Томасом Грэмом. Он изучал диффузию в газах, и это явление (Закон Грэма) было описано им в 1831—1833 гг. [5]
Большой вклад в теорию и практику исследования дифузионных процессов внес Я. И. Френкель, предложив и развив в 1926 году идею диффузии локальных дефектов (вакансий и межузельных атомов). [7]
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:
Это интересно: МПА в атмосферы, как правильно перевести давление?
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:
Скорее всего, у читателя сейчас возникнут следующие вопросы:
Ответы на них можно узнать ниже.
Это интересно: энтропия — это что такое, где применяется термин?
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.
Интересно знать: Система отсчета это что такое, определение и виды.
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:
Как протекает диффузия в жидкостях
Диффузия в жидкостях протекает медленнее. Она может длиться от нескольких минут до нескольких часов.
Самый яркие примеры из жизни:
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.
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:
Проявление диффузии в природе:
Проявление этого процесса в промышленности:
Эти процессы происходят в различных областях промышленности:
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!
§ 10. Диффузия в газах, жидкостях и твёрдых телах
Всем хорошо известно, что если в комнату внести какое-либо пахучее вещество, например духи или кофе, то запах вскоре будет чувствоваться во всей комнате. Распространение запахов происходит из-за того, что молекулы духов (или кофе) движутся. Они на своём пути сталкиваются с молекулами газов, которые входят в состав воздуха. Молекулы постоянно меняют направление движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по комнате. Распространение запаха является доказательством непрерывного и беспорядочного движения молекул.
Проделаем опыт, который можно объяснить только тем, что тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном движении.
Нальём в мензурку (или стакан) раствор медного купороса, имеющего тёмно-голубой цвет. Сверху осторожно добавим чистой воды (рис. 23).
Вначале между водой и медным купоросом будет видна резкая граница, которая через несколько дней станет слегка размытой. Граница, отделяющая одну жидкость от другой, исчезнет через 2—3 недели. В сосуде образуется однородная жидкость бледно-голубого цвета. Это значит, что жидкости перемешались.
Наблюдаемое явление объясняется тем, что молекулы воды и медного купороса, которые расположены возле границы раздела этих жидкостей, поменялись местами (рис. 24). Граница раздела стала расплывчатой. Молекулы медного купороса оказались в нижнем слое воды, а молекулы воды переместились в верхний слой медного купороса.
В твёрдых телах также происходит диффузия, но только ещё медленнее.
Например, очень гладко отшлифованные пластинки свинца и золота кладут одна на другую и ставят на них некоторый груз. При комнатной температуре (20 °С) за 4—5 лет золото и свинец взаимно проникают друг в друга на расстояние около 1 мм (рис. 25). В приведённых опытах мы наблюдаем взаимное проникновение молекул веществ, т. е. диффузию.
Процесс диффузии ускоряется с повышением температуры. Это происходит потому, что с повышением температуры увеличивается скорость движения молекул.
Явление диффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.
Вопросы
1 Что такое диффузия?
2. Как протекает диффузия в жидкостях? Опишите опыт.
3. Приведите примеры диффузии в окружающем мире.
4. Воду в некоторых случаях очищают путём озонирования, т. е. насыщением её озоном. На каком явлении основан этот метод очистки?
Задание
1. Налейте в один стакан холодной воды, в другой — тёплой. Опустите в каждый из них несколько кристалликов марганцовки. Объясните наблюдаемое явление.
2. Пользуясь рисунком 24, объясните процесс протекания диффузии в жидкостях.
3. Если у вас дома имеется комнатное растение, проведите его подкормку путём опрыскивания кроны питательным раствором. Пронаблюдайте, как будет развиваться растение. Объясните, на каком явлении основан такой способ подкормки.
4. Налейте в стакан воды и поставьте его в кастрюлю с тёплой водой на плиту, поддерживая температуру 50—60 °С. Насыпьте в стакан соль и размешайте, после того как соль растворится, досыпьте её вновь. И так до тех пор, пока не получите насыщенный раствор (т. е. соль не будет растворяться). Теперь раствор перелейте в другую ёмкость, чтобы избавиться от излишков соли на дне. Возьмите самый крупный кристаллик соли, подвесьте его на ниточку и опустите в соляной раствор. Через несколько дней вы увидите, как кристаллик начнёт увеличиваться в размере. На каком явлении основан рост кристаллика?
Методическая разработка к уроку «Диффузия» (7 класс)
«Управление общеобразовательной организацией:
новые тенденции и современные технологии»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Методическая разработка урока физики
«Диффузия в газах, жидких и твердых телах»
УМК: Перышкин А.В. физика
Техническое оснащение: доска, проектор, презентация, 2 мензурки, вода, 2 пакетика чая, термос с горячей водой, пузырек с духами.
Формы организации учебной деятельности: в парах, индивидуальная, эксперимент.
Цель урока: изучение диффузии в газах, жидких и твердых телах.
§ Сформировать знания учащихся о явлении диффузии и закономерностях ее протекания в различных средах;
§ Научиться объяснять явления диффузии в различных средах и скорости ее протекания в зависимости от температуры тела;
§ Учувствовать в коллективном обсуждении проблем;
§ Формировать целеполагание как постановку учебной задачи на основе соотнесения того, что уже изученно раннее, и того, что неизвестно;
§ Формирование самостоятельности и практических умений;
§ Формирование умений выражать свои мысли, выслушивать собеседника.
Описание элемента урока:
(знакомство с темой урока по средствам эксперимента)
В древности люди полагали, что нашей вселенной руководят стихии веществ: огонь, вода, воздух, земля. Люди складывали легенды о чудесных превращениях веществ. В Древней Греции ученый Демокрит спросил однажды своих учеников: «Возможно ли наполнить сосуд камнями, песком, водой и воздухом не опустошая сосуд?» А вы как думаете?
С помощью анимированной презентации учащиеся отвечают на вопросы известного физика Альберта Эйнштейна о диффузии. За каждый правильный ответ ученики класса будут получать необходимое оборудование для опыта. (мензурки, пакетики чая, колба с водой)(слайд 1-5)
1) Возьмем флакон с духами и откроем его, что мы почувствуем?
(Ученик: запах духов)
2) Как вы думаете почему так происходит?
(Ученик: воздух состоит из молекул)
3) Почему мы так быстро ощущаем запах духов?
(Ученик: потому что молекулы быстро двигаются)
4) Воздух состоит из молекул, а аромат духов из чего состоит?
(Ученик: аромат духов состоит из молекул)
5) А как молекулы воздуха и аромата духов взаимодействую между собой?
(Ученик: молекулы духов сталкиваются на своем пути с молекулами воздуха)
Все оборудование для эксперимента собрано. Время провести ряд опытов. Для проведения опыта я приглашаю профессора Мари Кюри. (учитель одевает белый халат и бутафорские очки)
— Я не только ученый, я женщина. Обратите внимание, что у меня есть. Да, это духи!
(учитель открывает флакон духов, дети ощущают запах, учитель проходит по классу)
На слайде презентации демонстрируется явление диффузии в газах. На магнитной доске появляется вывод «Диффузия в газах»
— Для следующего опыта я нужен ассистент. Учитель приглашает ученика из класса.
— Как вы думаете, что нам нужно сделать?
(Ученик: заварить чай)
Правильно! Ученик наполняет первую мензурку холодной водой, а учитель другую мензурку горячей водой. Далее одновременно помещаем пакетики чая в каждую из мензурок и наблюдаем.
— Что мы можем отметить?
(Ученики: чай быстрее заваривается в горячей воде)
— Правильно! Из чего состоит вода и чай?
Посмотрим на две мензурки и сделаем вывод. Что мы можем сказать о температуре веществ? Какой водой легче заваривать чай?
На магнитной доске размещаем вывод «Диффузия в жидкостях»
(Ученик: чем выше температура, тем быстрее двигаются молекулы в веществе, а значит быстрее взаимодействуют молекулы одного вещества с молекулами другого вещества) (слайд 6)
— Отлично! Мы рассмотрели газ и жидкость, теперь рассмотрим твердое тело.
Обратите внимание на слайд, представлен брусок из 2-х различных материалов (свинец и золото). Молекулы свинца и молекулы золота будут взаимодействовать в течение 5, что мы можем заметить после взаимодействия?
(ученик: четкая граница металлов исчезнет, трудно определить, где золото, а где свинец)
-Что поможет ускорить этот процесс взаимодействия?
(ученик: нагреть бруски)
Взаимное проникновение молекул одного вещества в другое вещество называется диффузией. Как диффузия от температуры вещества?
(учитель: чем больше температура, тем быстрее протекает диффузия)
На доске следующий вывод «Диффузия в твердом теле»
— И сейчас я вас порошу помочь мне с моей докторской диссертацией на Нобелевскую премию в области физики на тему диффузии. Поработаем в парах и заполним таблицу по нашим экспериментам (таблица №1).