Закон фика для явления диффузии

Законы Фика | Основы диффузии

Закон фика для явления диффузии

Итак, в основе любой теории диффузии (красителей в волокнистых материалах, компонентов в пластических массах, обмена ионов в ионообменных материалах, а также частиц в кристаллических веществах, включающих металлы, полупроводники, оксиды, керамику, стекла и т.д.), лежат законы Фика. Существуют два закона Фика – первый и второй.

Первый закон Фика

Первый закон Фика описывает квазистационарные процессы, когда проницаемая для обменивающихся местами частиц мембрана (пластинка) разделяет две среды (которые могут быть жидкими или газообразными) с существенно постоянными условиями на границах раздела.

Эта мембрана может быть инертной по отношению в диффундирующим веществам (например, пористое стекло, разделяющее водные солевые растворы различной концентрации или солевого состава) или активной по отношению к одному или нескольким диффундирующим компонентам (например, палладиевая мембрана, пропускающая через себя водород при высокой температуре из-за специфических процессов сорбции на ее границе и практически не пропускающая другие газы).

Уравнение, описывающее первый закон Фика, имеет следующий вид:

где j – поток вещества через единицу поверхности, D – коэффициент диффузии (в общем случае – коэффициент взаимодиффузии), C – концентрации по толщине мембраны, равная разнице концентраций переносимого вещества по обе стороны мембраны, x – толщина мембраны.

Очевидно, что к обсуждаемым нами процессам образования цинкового покрытия это уравнение неприменимо, поскольку изучаемые нами процессы являются нестационарными.

Второй закон Фика описывает нестационарные процессы, и именно его необходимо применять для описания закономерностей, с которыми имеют дело как металлурги, так и работники других специальностей, соприкасающиеся с проблемами массопереноса в твердых телах.

Рассмотрим его действие на следующем примере. Возьмем два одинаковых образца, имеющих плоскую поверхность и состоящих из металла, который под воздействием нейтронного облучения способен создавать радиоактивные атомы той же природы.

Облучим нейтронным потоком один из двух образцов с тем, чтобы создать в нем радиоактивность, соединим плотно по поверхностям облученный и необлученный образцы между собой и для убыстрения процесса будем выдерживать эту композицию при повышенной температуре.

Вследствие теплового движения радиоактивные атомы из одной части образца будут диффундировать во вторую его часть, причем этот процесс будет продвинут тем более, чем более высока температура и чем больше время опыта.

Затем образцы разъединим, и в каждом образце послойно измерим радиоактивность (технология этого типа эксперимента разработана очень хорошо). В результате эксперимента получаются кривые, изображенные на рис. 7.

38, которые соответствующим образом обрабатываются для расчета эффективных коэффициентов  диффузии. Концентрация радиоактивных ионов на межфазной границе будет равна половине той, что была в исходном левом образце, а сам процесс диффузии будет описываться уравнением:

Метод обработки таких кривых, как следует из литературы, был предложен физиком по фамилии Матано, и, как правило, называется методом Матано и иногда методом Матано- Больцмана (вероятно, из-за того, что метод возник как результат анализа решений уравнений диффузии, полученных одним из великих физиков теперь уже позапрошлого века Больцманом).

Если поверхность образца контактирует с какой-либо средой в жидкой форме, то на границе раздела концентрация данной среды, как правило, остается постоянной, но на форме фронта в железном образце эта особенность эксперимента при условии постоянства эффективного коэффициента диффузии сказывается достаточно мало (рис.7.39).

Для процесса цинкования необходимо смоделировать именно такую картинку. В этом случае концентрация диффундирующего вещества на границе двух сред является практически постоянной, и диффузия вещества в другую среду будет идти до тех пор, пока не достигнет стационара.

Рис. 7.38. Форма фронта диффузии при контакте двух твердых образцов, в одном из которых (в данном случае слева) методом нейтронного облучения созданы радиоактивные атомы, для двух значений времени эксперимента.

Рис. 7.39. Ожидаемая форма фронта в поглощающей среде при диффузии из среды с постоянной концентрацией на границе.

Второй закон Фика

Уравнение нестационарной диффузии описывается, как было уже сказано, вторым законом Фика, который для диффузии с постоянной концентрацией на границе двух фаз имеет следующий вид:

где n = 2, 1 или 0 – для шара, бесконечного цилиндра и бесконечной пластины.

Для бесконечной пластины уравнение имеет вид:

Ниже приведены соответствующие решения для степени завершения обмена как функции времени при постоянных коэффициентах диффузии:

для шара: 

для пластины: 

и для бесконечного цилиндра: 

μ – корни функции Бесселя нулевого порядка, Bt = π2F0

N – степень завершения процесса обмена

F0 = D*t / l2 – безразмерный параметр, где (D – коэффициент диффузии, t – время, l – линейный параметр)

Эти уравнения показывают, какая доля атомов (от максимально возможной) накапливается в поглощающей части образца.

Анализ показывает, что получаемые кривые, изображенные на рис. 7.39, никоим образом не напоминают типичный фронт сорбции цинка поверхностью железа, картинку которого можно видеть на рис. 7.40. Если верить кривой, полученной на рис. 7.

39, наибольшей толщиной должны обладать ζ– и Г1-фазы, а δ-фаза должна иметь промежуточную толщину (о η-фазе мы поговорим несколько позже). Аналогичные результаты (то есть не совпадающие с фронтом, изображенным на рис. 7.

39) были получены в значительном количестве исследований, и вот отсюда начинается игра ума.

Одни начинают искать причину в том, что поскольку изучаемое тело имеет кристаллическую структуру, то коэффициенты диффузии в различных направлениях являются различными. Действительно, на монокристаллах в ряде случаев это доказано. Но вот беда: сталь – это поликристаллическое тело, и для процесса цинкования этим вряд ли можно объяснить упомянутые выше экспериментальные закономерности.

Другие ищут причину отклонения от теоретической зависимости в методе Матано в том, что необходимо в уравнении второго закона Фика использовать не градиент концентрации, а градиент химического потенциала. В этом случае уравнение значительно усложняется, и неизвестно, какие результаты – отражающие или не отражающие действительность – будут получены.

Наконец, третьи пошли логически более правильным путем. На самом деле, при диффузии в металле с примесью (сплаве) диффундирует не один вид частиц, а, как минимум, два. Эти два вида частиц диффундируют навстречу друг другу, к тому же обладают различной подвижностью.

Если отсчитывать скорость их передвижения от некоторой воображаемой плоскости (рис 7.

41), то будет обнаружено, что через некоторое время эксперимента эта плоскость передвинется в сторону той части образца, которая содержит более быстрые частицы (эффект Киркендаля).

Рис. 7.40. Форма фронта, рассчитанная из содержания цинка в каждой из фаз внутри цинкового покрытия.

Рис. 7.41. Сущность эффекта Киркендаля. Пластина из латуни окружена слоем меди, нанесенной электролитически, причем на границе латунного образца предварительно закреплены метки из молибденовой проволоки. В результате выдерживания образца в течение нескольких сотен часов при повышенной температуре метки передвинулась внутрь образца.

Когда анализируют данные по кинетике образования цинк- железного покрытия на образце, исследуются дотошно любые факты, включая тип и структуру образующихся железо-цинковых сплавов, но ни в одной статье до настоящего времени не анализировалась форма фронта цинка в покрытии.

Между тем, именно форма фронта говорит о многом, и именно выяснение причин ее образования может стать ключом к количественному описанию скорости образования железо-цинковых слоев.Обратим внимание на следующее.

Почти во всех исследованиях в низкотемпературной области (достоверных сведений о форме фронта в высокотемпературной области нами не найдено) образуется форма обрывного фронта, близкая к изображенной на рис. 7.40. Эта форма не сильно зависит от температуры процесса, толщины образующегося покрытия и наличия или отсутствия в образце кремния (фосфора).

Между тем имеется очень мало процессов, которые характеризуются такой формой фронта. Одним из таких процессов является процесс горения с быстрым отводом образующихся продуктов горения от поверхности. Для горящего шара, например, процесс горения описывается уравнением:

где R – радиус шара до начала горения, r – радиус координаты горения, D – коэффициент диффузии.

Очевидно, что если мы сделаем плоский образец с защитой боковых поверхностей, то процесс горения будет происходить только на одной из поверхностей без изменения ее реальной площади, то есть скорость уменьшения толщины образца будет пропорциональна времени. Пример такого процесса – «курение сигареты» автоматическим курильщиком с постоянной скоростью просасывания воздуха через образец.

Между тем, в огромном большинстве исследований наблюдается обратноквадратичная зависимость скорости образования слоя (скорости вымывания железа в расплав) от времени, то есть выполняется зависимость:

Однако необходимо тщательно проверить последнее утверждение, прежде чем принимать его за аксиому.

На рис. 7.42 и 7.43 приведены данные по зависимости скорости накопленияжелеза в расплаве от времени при различных температурах. В книге утверждается, что при построении этих данных в координатах получаются прямые линии для всех температур, кроме данных при 510°С, где наблюдается прямолинейная зависимость. Проверим это утверждение.

Рис. 7.42. Зависимость скорости накопления железа в расплаве с течением времени от температуры в высокотемпературной области.

Рис. 7.43. Зависимость скорости накопления железа в расплаве от времени в низкотемпературной области.

Таблица № 7.5. Определение формального порядка реакции методом сравнения с базисной зависимостью для данных по скорости вымывания железа из образца в течение процесса цинкования.

Время, минА)Температура исследования, °С
570620650680740
607,7570,90151,94293,74344,39516,58
12010,9511,51,0521,51,96464,2052,54,8083,57,62
18013,4213,51,00241,7958,54,36664,92104,57,78
24015,4914,50,9425,51,6568,54,42785,04118,57,65
30017,3216,00,92271,5676,54,41875,02

А) – время (отн. единицы) базисной функции.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи: by HyperComments

Источник: https://ECM-zink.ru/info/stati/zakonyi-fika-osnovyi-diffuzii.html

Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе

Закон фика для явления диффузии

  • Что такое диффузия?
  • Причины диффузии
  • Формула диффузии
  • Диффузия в твердых телах
  • Диффузия в жидкостях
  • Диффузия в газах
  • Примеры диффузии в окружающем мире
  • Диффузия, видео
  • Что такое диффузия?

    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 диффузии

    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 диффузии

    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.

    Диффузия 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.

    Диффузия 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.

    Диффузия 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 диффузии в окружающем мире

    Благодаря диффузии:

    • поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности нашей планеты,
    • происходит питание растений,
    • осуществляется дыхание человека и животных.

    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:

    • В саду, где цветы источают свой аромат благодаря диффузии (их частицы перемешиваются с частицами окружающего воздуха).
    • Растворяя сахар в чае или кофе, чай или кофе становится сладким благодаря диффузии.
    • При резке лука у вас начнут слезиться глаза, происходит это тоже по причине диффузии, молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха и ваши глаза на это реагируют.

    Таких примером можно приводить еще много.

    Диффузия, видео

    И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

    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: https://www.poznavayka.org/fizika/diffuziya/

    Скорость диффузии

    Закон фика для явления 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.

    • Курсовая работа 460 руб.
    • Реферат 260 руб.
    • Контрольная работа 250 руб.

    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.

    Источник: https://spravochnick.ru/fizika/skorost_diffuzii/

    Диффузия в газах: примеры и опыты, значение в жизни человека

    Закон фика для явления диффузии

    1001student.ru > Физика > Диффузия в газах: примеры и опыты, значение в жизни человека

    Классическое атомно-молекулярное учение является теоретическим фундаментом разных естественных наук и позволяет обосновать многие происходящие в природе явления. Одним из таких процессов является диффузия.

    С ней дети знакомятся на уроках физики. Проявление одного из видов этого явления — диффузии в газах — можно встретить во взаимодействии живых и неживых объектов природы, а также в практической деятельности человека.

    Теория диффузионных процессов

    В школьном курсе физики диффузия определяется как взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, обусловленное их хаотическим тепловым движением. Причиной процесса является свойственное всем физическим системам стремление к состоянию равновесия, а результатом — равномерное распределение диффундирующих веществ по занимаемому объёму.

    История исследования

    Первым и наиболее наглядным экспериментальным примером процесса служит броуновское движение микроскопических частиц твёрдого вещества в жидкой или газовой среде, открытое в 1827 году британским ботаником Робертом Броуном. В дальнейшем термин «диффузия» стал применяться только для описания процессов, происходящих на молекулярном уровне:

    1. В этом же году французский учёный Рене Дютроше опубликовал результаты исследований по разделению жидкостей с помощью мембран. На основании опытов с растворами солей, этанолом и маслами им была установлена зависимость скорости диффузии от разности плотностей или концентраций веществ.
    2. Австрийский физик Лошмидт изучил процесс взаимного проникновения углекислого газа и водорода, при этом условия опыта обеспечивали смешивание газов только за счёт молекулярного движения. Учёным был сделан вывод, что соприкасающиеся газы всегда диффундируют друг с другом, за исключением химического взаимодействия веществ. Кстати, и броуновское движение, и диффузия относятся к физическим явлениям, поскольку в процессах не происходит изменений молекул и химического состава веществ.
    3. Английский учёный Томас Грэм начал свою научную деятельность с исследования диффузии применявшегося в XIX веке для освещения городов светильного газа. Впоследствии Грэм разработал метод выделения из воздуха кислорода и азота, методы мембранного разделения и диализной очистки растворов и газовых смесей, вывел закон эффузии (как закон Грэма) об истечении газов через пористую поверхность или искусственную мембрану.
    4. Анализы этих и других исследований дали немецкому физику Адольфу Фику повод провести аналогию между процессами теплообмена и массообмена при диффузии. В результате математическая теория теплопроводности Фурье была применена Фиком для теоретического обоснования диффузионных процессов.

    Эти работы позволили сформулировать современное определение диффузии как физического процесса взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами другого или других веществ, приводящего к самопроизвольному выравниванию их концентраций.

    Закон Фика

    Количественная теория диффузии, названная впоследствии в честь ученого законом Фика, была представлена в 1855 году. Путем исследований соляных растворов Фик пришел к выводу, что свободная диффузия происходит по законам, аналогичным законам распространения тепла. В основе обоих явлений лежит механизм молекулярного переноса, в одном случае — массы, в другом — энергии.

    В одном из первых определений физический смысл закона раскрывался так: количество вещества, проходящее за известное время в направлении убывающей концентрации через элемент поверхности, пропорционально величине этого элемента поверхности, промежутку времени, величине убывания концентрации по направлению течения.

    Современная формулировка закона Фика выглядит следующим образом: «Скорость диффузии вещества пропорциональна площади поверхности, через которую переносится вещество, и градиенту концентрации этого вещества».

    Математическое уравнение диффузии выражается формулой: Δn/Δt=D∙S∙(ΔC/Δx), где:

    • Δn — количество переносимого вещества (диффузионный поток), моль;
    • Δn/Δt — скорость диффузии, моль/с;
    • D — коэффициент диффузии, м²/с;
    • S — площадь поверхности, м²;
    • ΔC/Δx — градиент концентрации, моль/м⁴.

    Количественными характеристиками процесса являются: градиент концентрации (уменьшение концентрации на единицу длины) и коэффициент диффузии, определяемый свойствами среды и типом диффундирующих частиц. Для газовых сред коэффициент диффузии D обратно пропорционален давлению газа, увеличивается пропорционально росту температуры (при постоянном объёме), уменьшается с увеличением молекулярной массы.

    Для наглядности можно привести данные значения коэффициента D для некоторых случаев односторонней диффузии веществ в различных агрегатных состояниях.

    Диффундирующее веществоОсновное веществоТемпература, °CКоэффициент диффузии, м²/с
    Водород (газ)Кислород (газ)00,70∙10-4
    Пары водыВоздух00,23∙10-4
    Пары этиленового спиртаВоздух00,10∙10-4
    СольВода201,10∙10-9
    СахарВода200,30∙10-9
    Золото (твёрдое)Свинец (твёрдый)204∙10-14
    Свинец (твёрдый)Самодиффузия2857∙10-15

    Особенности явления в газовых средах

    Основной характеристикой диффузионных процессов является их скорость, которая зависит от нескольких факторов: агрегатного состояния вещества, температуры и внешних воздействий. Так как механизмом процесса является молекулярное движение, диффундирование происходит в веществах, находящихся в любом агрегатном состоянии.

    Газообразные среды характеризуются наибольшей скоростью смешивания частиц, что обусловлено свободным объёмным размещением атомов и молекул.

    На них не распространяются физические понятия упорядоченности частиц, дальнего и ближнего порядка их взаимного расположения, применяемые для твёрдых, жидких и аморфных веществ.

    По этой же причине для газовых сред более значительно на скорость диффундирования влияет изменение температуры и плотности, так как в обоих случаях сопротивление движению молекул за счёт межатомных связей практически не изменяется.

    Эти положения подтверждаются и данными приведённой выше таблицы. Значение коэффициента диффузии в газовых средах на 5 порядков (в тысячи раз) превосходит значения для жидких сред и на 10 порядков (в сотни миллионов раз) — для твёрдых тел.

    Примеры из природы и жизни человека

    Диффузионные процессы в газовых средах являются одними из наиболее распространённых в природе, а их проявления окружают человека в его естественной жизнедеятельности, в быту, технике и промышленности. Можно привести достаточное количество простых примеров диффузии в газах, известных по повседневной жизни:

    1. Диффузия атмосферного воздуха — одно из условий возникновения и сохранения жизни на нашей планете. Благодаря процессу поддерживается постоянный и необходимый для живых организмов состав газовой смеси в нижних слоях земной атмосферы.
    2. Дыхание человека и животных обеспечивается постоянным газообменом воздуха в лёгких. В результате газовой диффузии кислород поступает из вдыхаемого воздуха в клетки крови, а углекислый газа из крови — в выдыхаемый воздух. Необходимая скорость процесса поддерживается за счёт разности парциальных давлений газов в альвеолярном воздухе и крови.
    3. Диффузия углекислого газа является условием фотосинтеза растений. При поглощении газа клетками растительных волокон на их поверхности возникает градиент концентрации, вызывающий направленное движение газа из окружающего воздуха к фотосинтезирующим органам растения.
    4. Диффузионные процессы определяют распространение в воздухе запахов, имеющих огромное значение в жизни живых организмов. С их помощью определяется источник пищи или опасности, находится дорога к дому или передаётся информация. Для таких древних и сложных сообществ, как пчелиный рой или муравьиная колония, запаховая сигнализация служит способом коммуникации.

    Явление газовой диффузии нашло применение во многих изобретениях человека. Для научных и практических задач основным значением процесса служит управление концентрациями вещества в неоднородных средах. Одни примеры такого применения известны больше, другие — меньше:

    1. Многообразные парфюмерные ароматические изделия — духи, одеколоны, дезодоранты, освежители, применение которых без диффузии трудно представить.
    2. Диффузия помогает обеспечить безопасность при использовании природного газа. Как известно, применяемый в быту и производстве природный газ метан не имеет собственного запаха. Чтобы вовремя обнаружить его утечку, на газораспределительных станциях в него добавляют специальную жидкость этилмеркаптан с резким характерным запахом.
    3. В промышленности, энергетике и санитарии механизм диффузии используется в системах ионной очистки газов.
    4. В космической отрасли явление газовой диффузии служит как причиной многих проблем, так и способом их решения. Одной из проблем является истечение воздуха сквозь материалы космического корабля, в связи с чем его запасы на борту МКС приходится постоянно возобновлять с Земли. Одновременно с этим очистка бортового воздуха от углекислого газа производится на газодиффузионных установках.
    5. Закон Грэма лежит также в основе атмолиза — газодиффузионного метода, применяемого в атомной технологии для разделения изотопов при обогащении урана.

    Любопытным для многих будет факт, что упомянутый закон Грэма имеет практическое отношение и к любимым детьми воздушным шарикам.

    Дело в том, что резиновые шары, наполненные гелием, теряют свой объём значительно быстрее накачанных воздухом. Эту информацию стоит взять на заметку многим родителям.

    Источник: https://1001student.ru/fizika/diffuziya-v-gazah-primery-i-opyty-znachenie-v-zhizni-cheloveka.html

    Ваш лекарь
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: