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.
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.
Вконтакте
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:
- Температура.
- Агрегатное состояние вещества.
- Внешнее воздействие.
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:
- Жидкость.
- Твёрдое тело.
Скорее всего, у читателя сейчас возникнут следующие вопросы:
- Каковы причины возникновения диффузии?
- Где она протекает быстрее?
- Как она применяется в реальной жизни?
Ответы на них можно узнать ниже.
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.
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:
- Вы чувствуете запах освежителя воздуха благодаря диффузии.
- Вы чувствуете запах приготовленной пищи. Заметьте, его вы начинаете чувствовать сразу, а запах освежителя через несколько секунд. Это объясняется тем, что при высокой температуре скорость движения молекул больше.
- Слезы, возникающие у вас при нарезании лука. Молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха, и ваши глаза на это реагируют.
Как протекает диффузия в жидкостях
Диффузия в жидкостях протекает медленнее. Она может длиться от нескольких минут до нескольких часов.
Самый яркие примеры из жизни:
- Приготовление чая или кофе.
- Смешивание воды и марганцовки.
- Приготовление раствора соли или соды.
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.
- Слипание двух пластин разных металлов. Если держать эти две пластины плотно друг к другу и под прессом, в течение пяти лети между ними будет слой, имеющий ширину 1 миллиметр. В этом небольшом слое будут находиться молекулы обоих металлов. Эти две пластины будут слиты воедино.
- На тонкий свинцовый цилиндр наносится очень тонкий слой золота. После чего эта конструкция помещается в печь на 10 дней. Температура воздуха в печи - 200 градусов Цельсия. После того как этот цилиндр разрезали на тонкие диски, было очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.
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:
- При намазывании масла на хлеб оно в него впитывается.
- При засолке огурцов соль сначала диффундирует с водой, после чего солёная вода начинает диффундировать с огурцами. В результате чего мы получаем вкуснейшую закуску. Банки необходимо закатывать. Это нужно для того, чтобы вода не испарялась. А точнее, молекулы воды не должны диффундировать с молекулами воздуха.
- При мытье посуды молекулы воды и чистящего средства проникают в молекулы оставшихся кусочков еды. Это помогает им отлипать от тарелки, и сделать её более чистой.
Проявление диффузии в природе:
- Процесс оплодотворения происходит именно благодаря этому физическому явлению. Молекулы яйцеклетки и сперматозоида диффундируют, после чего появляется зародыш.
- Удобрение почв. Благодаря использованию определённых химических средств или компоста почва становится более плодородной. Почему так происходит? Суть в том, что молекулы удобрения диффундируют с молекулами почвы. После чего процесс диффузии происходит между молекулами почвы и корня растения. Благодаря этому сезон будет более урожайным.
- Смешивание производственных отходов с воздухом сильно загрязняет его. Из-за этого в радиусе километра воздух становится очень грязным. Его молекулы диффундируют с молекулами чистого воздуха из соседних районов. Именно так ухудшается экологическая обстановка в городе.
Проявление этого процесса в промышленности:
- Силицирование - процесс диффузионного насыщения кремнием. Он проводится в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой детали имеет не очень высокую твёрдость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серной кислотах.
- Диффузия в металлах при изготовлении сплавов играет большую роль. Для получения качественного сплава необходимо производить сплавы при высоких температурах и с внешним воздействием. Это значительно ускорит процесс диффузии.
Эти процессы происходят в различных областях промышленности:
- Электронная.
- Полупроводниковая.
- Машиностроение.
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!
Внимание! Администрация сайта сайт не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.
- Участник: Холоша Дарья Олеговна
- Руководитель:Панова Людмила Валентиновна
Опыты по диффузии
Диффузия – явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого (определение из учебника).
Цель – установить от чего зависит скорость диффузии в жидкости.
Диффузия объясняется непрерывным движением молекул вещества, скорость движения зависит от температуры. Поэтому гипотеза – скорость протекания диффузии в жидкости зависит от температуры.
Оборудование : стакан с холодной и горячей водой, марганцовка, лопатка.
Техника безопасности : осторожно обращаться с горячей водой и стеклянной посудой.
Описание хода проведения и результатов опыта.
- Взять два стакана с холодной и горячей водой.
- С помощью лопатки насыпать марганцовку и пронаблюдать явление.
Наблюдая явление диффузии в стакане с холодной и горячей воды увидела, что процесс диффузии протекает быстрее в горячей воде, чем в холодной. Гипотеза подтвердилась.
Обзор применения рассматриваемого явления на практике: зависимость скорости протекания диффузии от температуры используется во многих технологических процессах: заваривание чая или кофе, засолка, варка варенья, окрашивание тканей, стирка вещей.
На явлении диффузии основан процесс металлизации – покрытия поверхности изделия слоем металла или сплава для сообщения ей физических, химических и механических свойств. Применяется для защиты изделий от коррозии, износа, в декоративных целях. Так, для повышения твердости и жаростойкости стальных деталей применяют цементацию. Стальные детали помещают в ящик с графитовым порошком, который устанавливают в термической печи. Атомы углерода вследствие диффузии проникают в поверхностный слой деталей. Глубина проникновения зависит от температуры и времени выдержки деталей в термической печи. Также она используется при выплавке многих металлов, например, стали.
Обзор наблюдений рассматриваемого явления в природе : питание растений, насыщение воды кислородом, однородный состав атмосферы, физиологические процессы в организме человека (дыхание и пищеварение).
- Первое количественное описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком в 1855 году.
- В 1638 г. посол Василий Старков привёз в подарок царю Михаилу Фёдоровичу от монгольского Алтын– хана 4 пуда сушёных листьев. Это растение очень понравилось москвичам, и они его с удовольствием до сих пор употребляют. Это был чай, процесс заваривания – диффузия.
- Диффузия встречается не только в жизни, быту, но и в сказках, пословицах, поговорках.
– Старая ассирийская сказка «Царь Зимаар»: «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». Именно это явление спасло Аяза и помогло муравью найти камеру.
– Пословицы и поговорки, которые можно объяснить только благодаря знанию явления диффузии.
- Ложка дёгтя в бочке мёда.
- Нарезанный лук пахнет и жжёт глаза сильнее
- Овощной лавке вывеска не нужна.
Опыты по силе трения
Опыт описан в учебнике А.В.Перышкин «Физика 7 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012.
При соприкосновении одного тела с другим возникает взаимодействие, препятствующее их относительному движению, которое называется трением. А силу, характеризующую это взаимодействие, называют силой трения. (из учебника)
Существуют три вида трения: трение покоя, трение скольжения, трение качения.
В УМК Перышкина А.В. исследуется только зависимость силы трения от веса тела, мы добавили эксперименты, о которых говорится косвенно (зависимость от площади поверхности, от рода трущихся поверхностей).
Цель – выяснить, от чего зависит сила трения скольжения.
Оборудование: деревянный брусок, динамометр, набор грузов, наждачная бумага, направляющая рейка.
Выдвижение гипотезы . Сила трения зависит от площади соприкосновения поверхности, от веса тела, от рода соприкасающихся поверхностей.
: быть аккуратным с оорудованием.
- Положить деревянный брусок на направляющую рейку.
- Прикрепить к бруску динамометр и тянуть его равномерно. Динамометр будет показывать силу тяги, равную силе трения. Записать результат.
F тр = 0, 3Н
- Повернуть брусок на другую грань и измерить показания динамометра.
F тр = 0, 3Н
Вывод: сила трения скольжения не зависит от площади соприкосновения тел.
- Измерить силу трения скольжения с одни грузом и двумя грузами.
F тр = 0, 3Н
F тр = 0, 5Н (1 груз)
F тр = 0, 6 Н (2 груза)
Вывод: чем больше сила, прижимающая тело к поверхности (вес тела), тем больше возникающая при этом сила трения.
- Измерить силу трения скольжения с одним грузом по наждачной бумаге.
F тр = 0, 3Н
F тр = 0, 6 Н (по наждачной бумаге)
Вывод: сила трения зависит от рода соприкасающихся поверхностей (шероховатости поверхности)
: без трения покоя ни люди, ни животные не могли бы ходить по земле, так как при ходьбе происходит отталкивание ногами от земли. Во время гололедицы трение между подошвой обуви и землёй мало, отталкиваться от земли очень трудно и ноги скользят. Для увеличения силы трения между подошвой обуви и льдом, тротуары посыпают песком. Трение обеспечивает скрепление различных материалов, деталей инструментов, различных устройств, сооружений. За счет трения между нитями не расползаются ткани, удерживаются на рукоятках молотки, топоры, лопаты и другие инструменты. Болты с гайками, гвозди, шурупы, клинья, скрепляют части конструкций силой трения. Трение помогает человеку удерживать предметы в руках. Без трения смычка о струны была бы невозможна игра на скрипке или виолончели.
У многих растений и животных имеются различные органы, служащие для хватания (усики растений, хобот слона, цепкие хвосты лазающих животных). Все они имеют шероховатую поверхность для увеличения силы трения.
Среди живых организмов распространены приспособления (шерсть, щетина, чешуйки, шипы, расположенные наклонно к поверхности), благодаря которым трение получается малым при движении в одном направлении и большим – при движении в противоположном направлении. На этом принципе основано движение дождевого червя. Щетинки, направленные назад, свободно пропускают тело червя вперед, но тормозят обратное движение. При удлинении тела головная часть продвигается вперед, а хвостовая остается на месте, при сокращении головная часть задерживается, а хвостовая подтягивается к ней.
Значительное трение существенно для рабочих поверхностей органов движения. Необходимым условием перемещения является надежное сцепление между движущимся телом и опорой. Сцепление достигается либо заостреньями на конечностях, либо мелкими неровностями, например, щетинками, чешуйками, бугорками. Необходимо значительное трение и для хватательных органов. Интересна их форма: это либо щипцы, захватывающие предмет с двух сторон, либо тяжи, огибающие его. В руке сочетается действие щипцов и полный охват со всех сторон; мягкая кожа ладони хорошо сцепляется с шероховатостями предметов, которые надо удержать.
Наличие интересных фактов о рассматриваемом явлении:
- Леонардо да Винчи (1519 год) первый сформулировал законы трения. Он утверждал, что сила трения, возникающая при контакте тела с поверхностью другого тела, пропорциональна нагрузке (силе прижатия), направлена против направления движения и не зависит от площади контакта. Модель Леонардо была переоткрыта через 180 лет Г. Амонтоном и получила окончательную формулировку в работах Ш.О. Кулона (1781). Амонтон и Кулон ввели понятие коэффициента трения как отношения силы трения к нагрузке, придав ему значение физической константы, полностью определяющей силу трения для любой пары контактирующих материалов.
- Природа силы трения – электромагнитная. Это означает, что причиной её возникновения являются силы взаимодействия между частицами, из которых состоит вещество. Второй причиной возникновения силы трения является шероховатость поверхности. Выступающие части поверхностей задевают друг за друга и препятствуют движению тела. Именно поэтому для движения по гладким (полированным) поверхностям требуется прикладывать меньшую силу, чем для движения по шероховатым.
- Пословицы и поговорки: (собранные учениками).
- Не подмажешь – не поедешь;
- Пошло дело как по маслу;
- Угря в руках не удержишь;
- Коси коса пока роса;роса долой, и мы домой;
- Баба с воза -кобыле легче;
- Самый низкий коэффициент трения для твёрдого тела (0,02) имеет тефлон. У каждого современного человека есть на кухне кастрюли и сковородки с антипригарным тефлоновым покрытием.
Опыты по теплопроводности
Опыт описан в учебнике А.В.Перышкин «Физика 8 кл».: учебник для общеобразовательных учреждений/ А. В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2012.
Теплопроводность – явление передачи внутренней энергии ото одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте. (из учебника)
Все металлы имеют разное строение, поэтому они должны передавать тепло по-разному.
Выдвижение гипотезы. Теплопроводность у разных металлов должна быть различной.
Цель – пронаблюдать теплопроводность металлов.
Оборудование: стержни алюминиевый и латунный, пластилин, иголки, свечка, спички, два штатива.
Описание и соблюдение техники безопасности в ходе проведения экспериментального исследования : соблюдать технику безопасности при работе с свечкой.
Описание хода проведения и результатов опыта :
- Прикрепить с помощью пластилина иголки на стрежнях.
- Закрепить стержни на штативе.
- Зажечь свечку и нагревать стержни.
- Пронаблюдать за иголками на стержне.
Наблюдения показали, что иголки от алюминиевого стержня стали отпадать быстрее, чем от латунного.
Вывод: теплопроводность у различных металлов неодинаковая.
Обзор применения рассматриваемого явления на практике : Часто во время тепловой обработки продукта необходимо поддерживать высокую температуру, поэтому на кухне используют металлы, так их теплопроводность и прочность выше, чем у других материалов. Для горячего чая, чтобы не обжечься, выбирая между металлической или фарфоровой чашки нужно выбрать фарфоровую.
Из металла делают кастрюли, сковородки, противни, и другую посуду. Хороший пример использования материалов с высокой теплопроводностью на кухне - плита. Например, конфорки электроплиты сделаны из металла, чтобы обеспечить хорошую передачу тепла от раскаленной спирали нагревательного элемента к кастрюле или сковородке.
Люди используют материалы с низкой теплопроводностью между руками и посудой, чтобы не обжечься. Ручки многих кастрюль сделаны из пластмасс, а противни вынимают из духовки прихватками из ткани или пластмассы с низкой теплопроводностью. Медь имеет хорошую теплопроводность и ее используют в паяльниках.
Обзор наблюдений рассматриваемого явления в природе: снег предохраняет озимые от вымерзания; воздух, лёд, снег, жир являются плохими проводниками тепла– это спасает жизнь многим животным, обитающим в лесах и водных средах (тетерев зимой спит, зарывшись головой в снег). Зимой водоёмы покрываются льдом, который препятствует дальнейшему их промерзанию, выживают многие представители водной фауны.
Наличие интересных фактов о рассматриваемом явлении:
- Жан Батист Жозеф Фурье ввел понятие «теплопроводность».
- Большие трудности строителям зданий доставляет просадка фундамента особенно в регионах с вечной мерзлотой. Дома часто дают трещины из-за подтаивания грунта под ними Фундамент передает почве какое-то количество теплоты. Поэтому здания начали строить на сваях. В этом случае тепло передается только теплопроводностью от фундамента свае и далее от сваи грунту. Из чего же надо делать сваи? Оказывается, сваи, выполненные из прочного твердого материала внутри должны быть заполнены керосином. Летом свая проводит тепло сверху вниз плохо, т.к. жидкость обладает низкой теплопроводностью. Зимой свая за счет конвекции жидкости внутри неё, наоборот, будет способствовать дополнительному охлаждению грунта.Такой проект реально разработан и испытан!
- Итальянские ученые изобрели рубашку, позволяющую поддерживать постоянную температуру тела. Ученые обещают, что летом в ней не будет жарко, а зимой – холодно, поскольку она сшита из специальных материалов. Подобные материалы уже используются при космических полетах.
- В старых пулеметах "Максим" нагревание воды предохраняло оружие от расплавления.
- Явление, о котором рассказано ниже демонстрирует свойство металлов хорошо проводить тепло.
Если изготовить сетку из проволоки, обеспечив хорошее соединение металла в местах перекрещивания проволоки, и поместить ее над газовой горелкой, то можно при включенном вентиле поджечь газ над сеткой, в то время как под сеткой он гореть не будет. А если зажечь газ под сеткой, то наверх через сетку огонь « не просочится»!
В те времена, когда еще не было электрических шахтерских лампочек, пользовались лампой Дэви.
Это была свеча, «посаженная» в металлическую клетку. И даже, если шахта наполнялась легковоспламеняющимися газами, лампа Дэви была безопасна и не вызывала взрыва – пламя не выходило за пределы лампы, благодаря металлической сетке.
ДИФФУЗИЯ
(от лат.
diffusio - распространение, растекание, рассеивание) - неравновесный процесс,
вызываемый молекулярным тепловым движением и приводящий к установлению равновесного
распределения концентраций внутри фаз. В результате Д. происходит выравнивание
хим. потенциалов компонентов смеси. В однофазной системе при пост. темп-ре и
отсутствии внеш. сил Д. выравнивает концентрацию каждого компонента фазы по
объёму всей системы. Если темп-pa не постоянна или на систему действуют внеш.
силы, то в результате Д. устанавливается пространственно неоднородное равновесное
распределение концентраций каждого из компонентов (см. Термодиффузия, Электродиффузия
).
(2-й закон Фика). Матем.
теория ур-ния Д. совпадает с теорией теплопроводности уравнения
.
Для смеси мн. компонентов
диффузионный поток каждого компонента j i
, согласно термодинамике
необратимых процессов , определяется градиентами хим. потенциалов
всех п
компонентов смеси:
где L ik
-
кинетич. коэф. Онсагера, имеющие тензорный характер и пропорциональные коэф.
Д. компонентов смеси (индекс означает, что рассматривается Д. i
-гo компонента
относительно k
-го). Градиенты хим. потенциалов берутся при фиксиров.
темп-ре T
. Выражение (4) есть частный случай линейных соотношений Онсагера
между термодинамич. силами Д.
и диффузионными потоками. Согласно принципу Онсагера (см. Онсагера теорема)
, в отсутствие магн. поля .
Среди градиентов хим. потенциалов
лишь n
- 1 независимых, их можно выразить через градиенты концентраций
с помощью Гиббса - Дюгема уравнения
и представить диффузионный поток
в виде
где D ik
- тензор коэф. Д. Его диагональные элементы определяют прямые процессы Д.,
а недиагональные - перекрёстные диффузионные процессы. Соотношения
Онсагера для D ik
имеют более сложный характер, чем для L ik
. Для бинарной смеси коэф. D
11 связан с коэф. Онсагера
L
11 соотношением
В процессе Д. происходит
возрастание энтропии, причём производство энтропии
в единицу времени
равно:
Если на смесь компонентов
действуют внеш. силы F k
(напр., гравитационные и инерциальные),
то явление Д. существенно меняется. Поскольку градиент давления 
зависит от внеш. сил F k
, то термодинамич. силами являются
не только градиенты хим. потенциалов, но также и центробежная сила и сила тяготения
и возникает бародиффузия. При этом термодинамич. равновесию соответствует стационарное
неоднородное распределение концентраций. Процесс Д. стремится к установлению
этого распределения. Этот процесс позволяет определять молекулярные массы по
седиментации
в центробежном поле в ультрацентрифуге.
Диффузия в твёрдых телах.
Процесс Д. в твёрдых телах может осуществляться с помощью неск. механизмов:
обмен местами атомов кристаллич. структуры с её вакансиями
,перемещение
атомов по междоузлиям (см. Межузельный атом
), одновременное циклическое
перемещение неск. атомов, обмен местами двух соседних атомов. При образовании
твёрдых растворов замещения преобладает обмен местами атомов и вакансий.
Коэф. Д. в твёрдых телах
очень зависит от дефектов структуры, увеличиваясь с ростом их числа. Для Д.
в твёрдых телах характерна экспоненц. зависимость от темп-ры с энергией активации
большей, чем у жидкостей. Коэф. Д. для цинка в медь возрастает в 10 14 раз
при повышении темп-ры от 30 о C до 300 о C.
Микроскопич. теория Д.
атомов, основанная на механизме перескоков по вакансиям, была развита Я. И.
Френкелем . Замещение атомом кристалич. структуры вакансии связано с возможностью
перехода его через потенц. барьер. Предполагается, что после перехода атома
в вакансию он благодаря сильному взаимодействию его с соседними атомами успевает
отдать часть энергии
прежде, чем вернётся на своё прежнее место. Время пребывания данного атома в
соседнем с вакансией
узле равно
где
- время порядка периода атомов кристаллич. структуры, соответствующих
частоте акустич. спектра (~10 -13
с). Тогда коэф. самодиффузии будет иметь вид
где 
- энергия активации, а
- постоянная решётки, U
- энергия образования
вакансии. Для разл. решёток W
отличаются не очень сильно (напр., для
свинца W
26
ккал/г*атом, для меди W
60
ккал/г*атом),а а
и
в ф-ле (12) могут сильно отличаться. Коэф. Д. в твёрдых телах можно оценить
также с помощью теории Эйринга скоростей реакций, что приводит также к экспоненц.
зависимости от темп-ры с энергией активации. Аналогичная теория была развита
для Д. в неупорядоченных сплавах замещения, она позволила учесть влияние внедрённых
атомов на самодиффузию металла, когда Д. уже не описывается одной экспонентой,
т. к. на узлах с разл. конфигурацией атомов нужно преодолевать разл. потенц.
барьеры. В том случае, когда Д. идёт путём обмена с вакансиями или одноврем.
перемещения по замкнутому контуру, причём коэф. Д. компонент D 1
и D 2
различны, появляется результирующий поток вещества
в направлении вещества с большим парциальным коэф. Д., пропорциональный
(Киркендалла эффект).
Явление переноса нейтронов
в конденсиров. среде, сопровождаемое многократным рассеянием, описывается кинетич.
ур-нием, к-рое, вообще говоря, не сводится к ур-нию Д., однако диффузионное
приближение оказывается часто полезным и при рассмотрении диффузии нейтронов
.
При очень низких темп-pax
в конденсиров. средах возможна квантовая диффузия
атомов, к-рая определяется
квантовым подбарьерным туннельным движением атомов, в отличие от классич. Д.,
к-рая определяется надбарьерными переходами атомов . Существ. отличие
квантовой Д. состоит в том, что коэф. квантовой Д. отличен от нуля при стремлении
темп-ры к нулю, его значение на мн. порядков больше, чем коэф. классич. Д. при
тех же темп-рах.
Другие виды диффузий
.
К диффузионным процессам относят также нек-рые явления, не связанные с переносом
частиц. Так, в оптике имеет место излучения в неоднородной
среде при многократных процессах испускания и поглощения фотонов, к-рое наз.
диффузией излучения
, однако это явление существенно отлично от Д. частиц,
т. к. ур-ние баланса для плотности потока фотонов описывается интегр. ур-нием,
к-рое не сводится к дифференц. ур-нию Д. В спиновых системах в магн. поле возможен
процесс выравнивания ср. магн. момента в пространстве под влиянием спин-спинового
взаимодействия - спиновая диффузия
.
Лит.: 1)Гроот С. де, Мазур
П., Неравновесная , пер. с англ., M., 1964, гл. 11; 2) Xаазе Р.,
Термодинамика необратимых процессов, пер. с нем., M., 1967, гл. 4; 3) Чепмен
С., Каулинг т., Математическая теория неоднородных газов, пер. с англ., M.,
1960, гл. 10, 14; 4)Ферцигер Дж., Капер Г., Математическая теория процессов
переноса в газах, пер. с англ., M., 1976; 5) Френкель Я. И., Кинетическая теория
жидкостей. Л., 1975; 6) Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р., Молекулярная теория
газов и жидкостей, пер. с англ., M., 1961, гл. 9; 7) Грэй П., Кинетическая теория
явлений переноса в простых жидкостях, в кн.: Физика простых жидкостей. Статистическая
теория, пер. с англ., M., 1971; 8) Смирнов А. А., Молекулярно-кинетическая теория
металлов, M., 1966, гл. 8; S
)Андреев А. Ф., Лифшиц И. M., Квантовая
теория дефектов в кристаллах, "ЖЭТФ", 1969, т. 56, с. 2057; 10)
Каgan Yu., Кlingеr M. I., Theory of quantum diffusion of atoms in crystals,
"J. Phys. C", 1974, v. 7, p. 2791; 11) Лифшиц E. M., Питаевский
Л. П., Физическая кинетика, M., 1979, p11, 12; 12) Ландау Л. Д., Лифшиц
E. M., Гидродинамика, 3 изд., M., 1986, p 59.
Д. П. Зубарев .
Газизова Гузель
«Шаги в науку – 2016»
Скачать:
Предварительный просмотр:
Муниципальное бюджетное общеобразовательная учреждение
« Арская средняя общеобразовательная школа № 7» Арского
Муниципального района Республика Татарстан.
Республиканская научно-практическая конференция
«Шаги в науку – 2016»
Секция: Физика и техническое творчество
Исследовательская работа
Тема: Наблюдение диффузии в воде и влияние температуры на скорость диффузии.
Должность.
Газизова Гузель Робертовна Зиннатуллин Фидарис Файсалович
ученица 7 класса учитель физики 1 кв. категории.
2016 г.
- Введение Стр. 3
- Проблема исследования
- Актуальность темы и практическая значимость исследования
- Объект и предмет исследования
- Цели и задачи
- Гипотеза исследования
- Основная часть исследовательской работы Стр.5
- Описание места и условий наблюдений и опытов
- Методика исследования, её обоснованность
- Основные результаты эксперимента
- Обобщение и выводы
- Заключение Стр.6
- Список литературы Стр.7
Диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие) - процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.
Если в раствор медного купороса аккуратно налить воду, то между двумя слоями образуется четкая граница раздела (медный купорос тяжелее воды). Но через два дня в сосуде будет однородная жидкость. Это происходит совершенно произвольно.
Другой пример связан с твёрдым телом: если один конец стержня нагреть, или электрически зарядить, распространяется тепло (или соответственно электрический ток) от горячей (заряженной) части к холодной (незаряженной) части. В случае металлического стержня тепловая диффузия развивается быстро, а ток протекает почти мгновенно. Если стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно, а диффузия электрически заряженных частиц - очень медленно. Диффузия молекул протекает в общем 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 микрометров только через несколько тысяч лет.
Первое количественное описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком в 1855 году.
Диффузия имеет место в газах, жидкостях и твёрдых телах, причём диффундировать могут как находящиеся в них частицы посторонних веществ, так и собственные частицы.
Диффузия в жизни человека
Изучая явление диффузии, я пришла к выводу, что именно благодаря этому явлению человек живет. Ведь, как известно, воздух, которым мы дышим, состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. Находится он в тропосфере - в нижнем слое атмосферы. Если бы не было диффузионных процессов, то наша атмосфера просто расслоилась бы под действием силы тяжести, которая действует на все тела, находящиеся на поверхности Земли или вблизи нее, в том числе и на молекулы воздуха. Внизу расположился бы боле тяжелый слой углекислого газа, над ним – кислород, выше - азот и инертные газы. А ведь для нормальной жизнедеятельности нам необходим именно кислород, а не углекислый газ. Диффузия происходит и в самом организме человека. Дыхание и пищеварение человека основано на диффузии. Если говорить о дыхании, то в каждый момент времени в кровеносных сосудах, оплетающих альвеолы, находится примерно 70 мл крови, из которой в альвеолы диффундирует углекислый газ, а в обратном направлении - кислород. Огромная поверхность альвеол даёт возможность уменьшить толщину слоя крови, обменивающейся газами с внутриальвеолярным воздухом, до 1 мкм, что позволяет менее чем за 1 с насытить это количество крови кислородом и освободить её от избытка углекислоты.
Также это явление влияет и на организм человека - кислород воздуха проникает в кровяные капилляры легких путем диффузии через стенки альвеол, а затем растворяясь в них, разносится по всему организму, обогащая его кислородом.
Диффузия используется во многих технологических процессах: засолка, получение сахара (стружка сахарной свёклы промывается водой, молекулы сахара диффундируют из стружки в раствор), варка варенья, окрашивание тканей, стирка вещей, цементация, сварка и пайка металлов, в том числе диффузионная сварка в вакууме (свариваются металлы, которые другими методами соединить невозможно, - сталь с чугуном, серебро с нержавеющей сталью и т.д.) и диффузионная металлизация изделий(поверхностное насыщение стальных изделий алюминием, хромом, кремнием), азотирование - насыщение поверхности стали азотом (сталь становится твёрдой, износоустойчивой), цементация - насыщение стальных изделий углеродом, цианирование -насыщение поверхности стали углеродом и азотом.
Как видно из приведенных примеров диффузионные процессы играют очень важную роль в жизни людей
Проблема: Почему диффузия протекает по–разному при разной температуре?
Актуальность данного исследования я вижу в том, что тема «Диффузия в жидких, твердых и газообразных состояниях» является жизненно важной не только курсе физики. Знания о диффузии могут пригодиться мне в повседневной жизни. Эти сведения помогут подготовиться к экзамену по физике за курс основной и средней школы. Тема мне очень понравилась, и я решил изучить её глубже.
Объект моего исследования – диффузия, протекающая в воде при разной температуре, а предметом изучения – наблюдения с помощью постановки опытов в различных температурных режимах.
Цель работы:
- Расширить знания о диффузии, её зависимости от разных факторов.
- Объяснить физическую природу явления диффузии на основе молекулярного строения вещества.
- Выяснить зависимость скорости диффузии от температуры у смешивающихся жидкостей.
- Подтвердить теоретические факты опытными результатами.
- Обобщить полученные знания и выработать рекомендации.
Задачи исследования:
- Исследовать скорость протекания диффузии в воде при разной температуре.
- Доказать, что испарение жидкости есть результат движения молекул
Гипотеза: при высокой температуре молекулы движутся быстрее и из-за этого быстрее перемешиваются.
Основная часть исследовательской работы
Для своих исследований я взяла два стакана. В один налил теплой воды, а в другой – холодной. Одновременно опустил в них по пакетику чая. Теплая вода окрасилась в коричневый цвет быстрее, чем холодная. Известно, что в теплой воде молекулы движутся быстрее, так как их скорость зависит от температуры. А значит, молекулы чая быстрее проникнут между молекулами воды. В холодной воде скорость молекул замедленна, поэтому явление диффузии здесь протекает медленнее. Явление проникновения молекул одного вещества между молекулами другого называется диффузией.
Затем я налил в два стакана одинаковое количество воды. Один стакан оставил на столе в комнате, а другой поставил в холодильник. Через пять часов сравнил уровни воды. Оказалось, что в стакане из холодильника, уровень практически не изменился. Во втором - уровень заметно уменьшился. Это вызвано передвижением молекул. И оно больше, чем больше температура. При большей скорости молекулы воды, приближаясь к поверхности, «выпрыгивают». Данное движение молекул называется испарением. Опыт показал, что испарение протекает быстрее при более высокой температуре, так как чем быстрее движутся молекулы, тем больше молекул улетает из жидкости за одно и то же время. В холодной воде скорость маленькая, поэтому они остаются в стакане.
Заключение:
На основании проведенного эксперимента и наблюдений за диффузией в воде, имеющей разную температуру, я убедился, что температура сильно влияет на скорость молекул. Доказательством этого послужила разная степень протекания испарения. Таким образом, чем горячее вещество, тем больше скорость молекул. Чем холоднее – тем меньше скорость молекул. Следовательно, диффузия в жидкостях будет проходить быстрее при высокой температуре.
Литература:
- А.В.Перышкин. Физика 7 класс. М.: Дрофа, 2011.
- Библиотека «Первого сентября». М.: «Первое сентября», 2002.
- Биофизика на уроках физики. Из опыта работы. М., «Просвещение», 1984.
