Уравнение диффузии в физике

Результатом диффузии при постоянной температуре является выравнивание химических потенциалов.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

В однофазной системе при постоянной температуре и при отсутствии внешних сил диффузия выравнивает концентрацию компонента фазы во всей системе.

Если на систему действуют внешние силы или поддерживается градиент температуры, то в результате диффузии устанавливаются градиенты концентраций отдельных компонентов (термодиффузия, электродиффузия и другие процессы).

Уравнение диффузии в одномерном случае

  • Уравнение диффузии в одномерном случае () в двухкомпонентной системе — это первый закон Фика:
  •     Уравнение диффузии в физике
  • где dm – масса первого компонента, которая переносится за время dt через элементарную площадку dS в направлении нормали x к рассматриваемой площадке в сторону убывания плотности первого компонента, – градиент плотности, D – коэффициент диффузии.

Если в однокомпонентной системе выделить группу молекул, выравнивание концентрации выделенных частиц по объёму сосуда называется самодиффузией. Самодиффузия тоже описывается уравнением диффузии (первым законом Фика), в котором коэффициент D- называется коэффициентом самодиффузии.

Уравнение диффузии в трехмерном случае

  1. В случае трехмерной диффузии изменение концентрации с течением времени при постоянной температуре и отсутствии внешних сил описывается дифференциальным уравнением диффузии:
  2.     Уравнение диффузии в физике
  3. где D- коэффициент диффузии, t- время. Если D не зависит от концентрации, то уравнение диффузии будет иметь вид:
  4.     Уравнение диффузии в физике
  5. Уравнение (3) еще называют вторым законом Фика, где — дифференциальный оператор Лапласа.
  6. В том случае, если перенос вещества вызван лишь градиентом его концентрации уравнение диффузии можно записать и в следующем виде:
  7.     Уравнение диффузии в физике

где c(x, t) — концентрация вещества в точке Уравнение диффузии в физике среды в момент времени t, D – коэффициент диффузии, q — коэффициент поглощения, a F — интенсивность источников вещества. Величины D, q и F обычно являются функциями координат и времени, а также могут зависеть от концентрации с(x, t). B последнем случае, уравнение диффузии (4) становится нелинейным. В анизотропной среде коэффициент диффузии D является тензорным полем. В случае, когда величины D и q постоянны уравнение (4) является уравнением параболического типа. Для такого типа уравнений в математической физике разработаны методы решения. Допущение о постоянстве коэффициента диффузии справедливо в большинстве случаев реализуемых на практике. Уравнения диффузии не содержат ни каких сведений о механизмах этого процесса. Основная цель решения уравнения — найти распределение примеси c(x,t) после диффузии в течение определенного времени при различных условиях осуществления процесса.

Решение уравнения диффузии

Для выделения единственного решения для уравнения (4) необходимо задать начальные и граничные условия. Обычно, рассматривают следующие граничные условия:

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Галлий и его характеристики

Оценим за полчаса!

Уравнение диффузии в физике Уравнение диффузии в физике

где n – внутренняя нормаль к поверхности S

Уравнение диффузии в физике

В простейшем случае, когда диффузия происходит только вдоль одной прямой и c=c(x,t)уравнение (3) запишется в виде:

    Уравнение диффузии в физике

Уравнение диффузии в физике

  • Тогда уравнение (5) имеет решение вида:
  • — текущая координата интегрирования.
  • Выражение (6) называется фундаментальным решением уравнения диффузии в случае (5).

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Источник: http://ru.solverbook.com/spravochnik/uravneniya-po-fizike/uravnenie-diffuzii/

Механизмы диффузии. Уравнения диффузии, страница 2

В изотропной среде и отсутствии конвекции уравнение диффузии
имеет вид

Уравнение диффузии в физике

Для одномерного случая данное выражение упрощается

Уравнение диффузии в физике

где J
– плотность потока вещества, проходящего через
единицу сечения в единицу времени; D – коэффициент диффузии; – оператор градиента; [C] –
концентрация диффундирующих частиц.

Уравнение диффузии в физике Уравнение диффузии в физике

Это уравнение, впервые было предложено Фиком (1855 г.), называется первым законом Фика, или первым
законом диффузии, и справедливо для стационарных
процессов, когда в любой точке сечения, перпендикулярного потоку, градиент
концентрации остается постоянным во времени. Подчеркнем, что речь идет об
одномерном случае, когда диффузия происходит в направлении лишь одной
координатной оси.

В реальных условиях концентрация диффундируюших атомов в любой
точке сечения зависит от времени, т. е. реальные процессы относятся к нестационарным, поэтому для практических расчетов первый
закон диффузии неприменим, так как от не учитывает временное изменение
концентрации примесей.

По закону сохранения вещества изменение концентрации со временем
должно быть равно уменьшению диффузионного потока в том же объеме. Тогда,
используя условие непрерывности, можно записать

Уравнение диффузии в физике

а для одномерного случая

Уравнение диффузии в физике Уравнение диффузии в физике Уравнение диффузии в физике

Это выражение является математической формулировкой второго закона Фика, или второго
закона диффузии для нестационарных диффузионных процессов. Он описывает
процесс изменения концентрации диффундирующего вещества в разных точках
сечения, как функцию времени.

  • Все задачи, связанные с расчетом технологических характеристик
    диффузионных процессов, сводятся к решению дифференциальных уравнений диффузии
    с заданными начальными и граничными условиями.
  • Начальные условия задают распределение примесей в момент времени t = 0 – ([C] = f(x,0)), граничные – распределение примеси по объему или поверхности в
    произвольный момент времени при x = 0
    – ([C] = f(0,t)).
  • НЕКОТОРЫЕ ЧАСТНЫЕ РЕШЕНИЯ ВТОРОГО
    УРАВНЕНИЯ ДИФФУЗИИ
  • По типу начальных условий диффузионные задачи подразделяются:
  • задачи на удаление вещества из твердого тела (обезгаживание, геттерирование примесей и т. п.);
  • задачи на введение вещества в твердое тело (легирование полупроводников, поглощение газов и др.).

В технологии полупроводниковых и микроэлектронных устройств
наиболее часто приходится иметь дело с процессами легирования, конечной целью
которых является получение необходимого профиля распределения примесей по
объему и создание р-n переходов на заданной глубине с
необходимыми электрофизическими характеристиками. Это задачи второго типа.

  1. Особо важным является случай диффузии примесей в полубесконечное тело (тело, которое с одной стороны ограничено
    плоскостью x = 0, а в другую сторону
    простирается на расстояние, много большее диффузионной длины).
  2. При этом диффузия может проводиться из бесконечного (неограниченного) и конечного (ограниченного) источника примесей.
  3. Неограниченный источник – в течение всего времени проведения диффузионного процесса,
    концентрация примесей в источнике
    (на поверхности легируемого твердого тела)
    остается постоянной.
  4. Ограниченный источник
    в ходе диффузии в источнике не восполняется концентрация примесей.

Диффузия в полубесконечное тело из постоянного источника. Данная модель предполагает, что диффузия
проводится в твердое тело на глубину, много меньшую его длины, из постоянного
источника, расположенного на поверхности тела.

Для этого случая граничные и начальные условия можно представить в
виде:

граничные условия

Уравнение диффузии в физике

начальные условия

Уравнение диффузии в физике

  • где
    концентрация диффундирующей примеси на поверхности.
  • При этих условиях решение уравнения
    диффузии имеет вид
  • .
  • Интеграл в этом соотношении обозначается “erfc”, и представляет собой функцию дополнения интеграла ошибок до
    единицы error function complement (erfcy = 1 — erfy), где erfy функция ошибок, которая широко используется в теории
    вероятностей.
  • Тогда
  • ,
  • или
  • .

График функции для различных времен легирования показан на
рисунке. В процессе создания р-n
переходов в исходную пластину полупроводника вводится донорная либо акцепторная
примесь. С учетом взаимной компенсации доноров и акцепторов суммарная
концентрация на глубине х от поверхности рассчитывается по выражению

  1. ,
  2. где
    концентрация примесей противоположного знака в твердом теле.
  3. На практике исходную концентрацию легко определить по значению
    удельного сопротивления и подвижности носителей
  4. ,
  5. где q заряд
    носителей в исходном полупроводнике.
  6. В плоскости сечения, где концентрация доноров и акцепторов равны
    друг другу ,
    образуется р-n переход, глубина залегания которого , рассчитывается
    из уравнения
  7. .
  8. В инженерных расчетах обычно используют выражение
  9. .
  10. При выводе этого выражения использовано допущение
  11. .

Диффузия в полубесконечное тело из ограниченного источника.

Данный случай соответствует условиям,
когда в тонком поверхностном слое полупроводника создается избыточная
концентрация примесей , и структура подвергается дальнейшей
высокотемпературной обработке, во время которой происходит перераспределение
примесей по объему. В ходе этого процесса количество атомов примеси на
поверхности непрерывно уменьшается, а в объеме возрастает.

  • Для этого случая граничные и начальные условия можно представить в
    виде:
  • граничные условия
  • ;
  • начальные условия
  • .
  • Решение диффузионного уравнения
    имеет вид функции распределения Гаусса
  • .
  • Графический вид функции распределения примесей при диффузии из
    конечного источника представлен на рисунке.
  • Глубина залегания p-n перехода при диффузии из ограниченного
    источника определяется по выражению
  • .
  • ДВУХСТАДИЙНАЯ ДИФФУЗИЯ

При создании р-n переходов
различного назначения диффузионные процессы проводят обычно в две стадии.

Тем
самым достигается несколько целей: устраняются многие трудноконтролируемые (или
не поддающиеся контролю) факторы; открываются возможности получения глубоких
р-n переходов, осуществления точного контроля поверхностной концентрации и
гибкого управления параметрами технологического процесса.

На первой
стадии – стадии загонки – проводится низкотемпературная диффузия из источника
постоянной концентрации в течение короткого времени (1 – 20) мин. В
результате этого, в тонком поверхностном слое полупроводника формируется
область, обогащенная примесями противоположного типа проводимости.

  1. Поверхностная концентрация
    определяется либо предельной растворимостью примеси, либо ее содержанием в
    источнике диффузанта.
  2. Распределение примесей по толщине
    полупроводника, полученное на первой стадии, рассчитывается по выражению

Затем, после
выполнения ряда промежуточных технологических операций, проводится вторая
стадия – стадия разгонки примесей. Она осуществляется при более высокой
температуре и
длительное время (до десятков часов).

Тонкий поверхностный слой,
сформированный на стадии загонки, выступает в качестве ограниченного источника
примеси на стадии разгонки. В процессе разгонки атомы примеси, находящиеся в
тонком поверхностном диффузионном слое перераспределяются по объему
полупроводника.

  • Расчет профиля распределения
    примесей по толщине полупроводника и глубины залегания р-n перехода, проводится
    по выражениям
  • и
  • .
  • При выполнении условия
  • ,
  • (, – коэффициенты диффузии примесей на стадиях
    загонки и разгонки, соответственно; – время загонки;
    – время
    разгонки) форма профиля распределения примеси, полученная на стадии загонки, не
    влияет на профиль распределения после разгонки, так как глубины залегания примесей
    по координате х несопоставимы (смотри рисунок).

Если вышеупомянутое условие не
выполняется, то глубина диффузии на стадии загонки, сравнима с глубиной
диффузии на стадии разгонки.

Поэтому нельзя считать, что вторая стадия диффузии
(стадия разгонки) реализуется из бесконечно тонкого слоя.

В конечном счете,
получается комбинированное распределение (смотри рисунок), которое определяется
решением уравнения второго закона диффузии для слоя конечной толщины:

,

где y – постоянная интегрирования;

поверхностная концентрация после загонки; ; .

Источник: https://vunivere.ru/work10795/page2

Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах — базовый урок по физике

Вы когда-нибудь задавались вопросом: благодаря чему мы ощущаем приятные запахи, почему растворяется сахар в чае, каким образом происходит загрязнение воздуха и атмосферы? На все эти вопросы нам поможет ответить понятие «Диффузия».

Диффузия — это процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Основная причина диффузии: постоянное движение молекул. Возникает диффузия из-за стремления к равновесию.Диффузия происходит в трех средах: в газах, в жидкостях, в твердых телах.Диффузия в газах происходит быстрее всего, она занимает всего несколько секунд или минут. Диффузия в жидкостях может занимать от нескольких минут до нескольких часов. Диффузия в твердых телах протекает с течением нескольких лет. Но эти процессы можно ускорять с помощью повышения температуры или при внешнем воздействии.Явление диффузии есть в каждой аспекте нашей жизни: питание, дыхание животных и растений. Также явление диффузии несет в себе и разрушающий для аспект: загрязнение природы.

Курирую урок, все предложения пишите в х под уроком или личным сообщением

Хотите делать уроки с нами?

Диффузия в окружающем мире

Вводное тестирование

Проверь готовность к уроку

0%

0%

0%

0%

0%

Ты еще не готов к этому уроку

Начинай изучать урок

Полный вперёд!

Так что же такое диффузия? Диффузия — это процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Если говорить простым языком — это смешивание. Во время этого смешивания происходит взаимное проникновение молекул вещества между друг другом. Основная причина диффузии заключается в постоянном движении молекул.

При приготовлении какао, молекулы растворимого какао проникают в молекулы воды и наоборот.

Уравнение диффузии в физике

Возникает из-за стремления к равновесию

Основная причина диффузии — постоянное движении молекул. В веществе есть области с высокой и низкой концентрацией частиц, поэтому они постоянно движутся из области с большой концентрацией к области, где концентрация частиц меньше. Это явление обусловлено стремлением к равновесию. Так как, частицы постоянно сталкиваются во время движения — происходит взаимное проникновение друг в друга.

Уравнение диффузии в физике

Происходит в разных средах

В каждом агрегатном состоянии молекулы движутся с определённой скоростью. Диффузия может протекать в следующих агрегатных состояниях: газ, жидкость, твёрдое тело.

Ускоряется при повышении температуры

Чем выше температура вещества, тем быстрее движутся молекулы. Следовательно, процесс смешивания происходит быстрее при высоких температурах.

Ускоряется при внешнем воздействии

Протекание диффузии можно ускорить. Этим активно пользуется человек в бытовых и промышленных целях. Для того, чтобы два твердых металла превратить в сплав, человек воздействует на металлы внешне — применяя высокие температуры. Также для того, чтобы сахар быстрее растворился в воде, мы его размешиваем, тем самым совершая внешнее воздействие.

Читайте также:  Гидролиз нитрата аммония (nh4no3), уравнения и примеры

Процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества

0%

Беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных в жидкости или газе частиц твердого вещества, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа

0%

При воздействии высоких температур

0%

При внешнем воздействии

0%

0%

0%

0%

От Древней Греции до Адольфа Фика

Уже в глубокой древности, за 2500 тыс. лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших частиц, недоступных непосредственному наблюдению. О наличии в природе явления диффузии предполагали еще в Древней Греции и Древнем Риме.

Свои предположения выдвигали такие философы и ученые, как Фалес Милетский, Анаксимен, Демокрит и др. Конечно, их высказывания были еще далеки от истины. Но спустя время, благодаря открытию броуновского движения, в дальнейшем удалось описать явление диффузии. Описал диффузию немецкий физик и физиолог Адольф Ойген Фик.

В 1855 году он описал явление диффузии и представил закон диффузии Фика.

Уравнение диффузии в физике

Вы, наверняка, замечали, что различные запахи распространяются по воздуху очень быстро. А все потому, что процесс смешивания частиц в газах самый быстрый.

Частицы газа далеко удалены друг от друга. Между ними существуют большие промежутки. Сквозь эти промежутки легко перемещаются частицы другого вещества. Поэтому диффузия в газах протекает быстро.

Уравнение диффузии в физике Уравнение диффузии в физике Цель:убедиться в том, что диффузия в газах протекает быстро и зависит от температуры

  • Оборудование:
  • Процесс:
  • Выводы:

секундомер, освежитель воздуха или парфюм, термометрЗамерьте температуру воздуха в помещении. Распылите освежитель воздуха в одном углу, встаньте в другой и включите секундомер. Как только почувствуете аромат освежителя — выключите секундомер. Запишите результат в тетрадь.Теперь проветрите помещение примерно до 17-18 градусов по Цельсию. Проделайте все то же самое.Время, через которое до вас дошел запах, будет отличен. Во втором случае аромат будет распространяться медленнее.Во-первых, вы поймете насколько быстро происходит диффузия в газах.Во-вторых, поймете, что диффузия происходит быстрее, когда выше температура газов.

0%

0%

0%

0%

0%

Если диффузия в газах происходит быстро, чаще всего за считанные секунды, то диффузия в жидкостях занимает целые минуты, а иногда даже часы. Зачастую это зависит от температуры и плотности вещества.

Частицы в жидкости расположены так, что расстояние между соседними частицами меньше их размеров.

Уравнение диффузии в физике Уравнение диффузии в физике

Примерами диффузии в жидкостях могут служить: смешивание воды и марганцовки, смешивание двух цветов красок.

Цель:понять как протекает диффузия в жидкостях и как зависит от температуры

  1. Оборудование:
  2. Процесс:
  3. Выводы:

стакан с холодной водой, раствор «зеленки», тарелка с горячей водой, пипетка, секундомерВ начале в стакан с холодной водой капаем каплю зеленки и засекаем время за которое она растворится в воде до однородного цвета. Записываем результат.Затем проделываем все то же самое, но уже ставим стакан в тарелку с горячей водой. Сравниваем результаты. Видим, что в тарелке с горячей водой диффузия частиц воды и зеленки протекал гораздо быстрее.Температура влияет на протекание диффузии в жидкости. Чем выше температура, тем быстрее протекает диффузия.

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

Диффузия в твердых телах протекает очень медленно (несколько лет) из-за большой плотности твердых тел.

Промежутки между частицами очень маленькие, поэтому другим веществам трудно проникнуть между ними.

Уравнение диффузии в физике

В твердых телах диффузия протекает очень медленно, при обычной комнатной или уличной температуре она незаметна.

Обычно в качестве примера диффузии в твердых телах приводится опыт со свинцовой и золотой пластинками. Данный эксперимент показал, что только по прошествии пяти лет в свинец проникло малое количество золота, а свинец проник в золото на глубину не более одного миллиметра. Такое различие обусловлено тем, что плотность свинца намного выше плотности золота.

Можно ускорить процесс диффузии твердых тел, например, воздействием на них высоких температур.

Если на тонкий свинцовый цилиндр нанести очень тонкий слой золота, после чего эту конструкцию поместить в печь на 10 дней при температуре воздуха в печи 200 градусов Цельсия, то после разрезания цилиндра на тонкие диски, очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.Для того, чтобы выковать, к примеру, меч, потребуются сталь и различные металлы. Чтобы соединить сталь и металл, используют воздействие высоких температур. Плавление стали происходит при температуре 1000° и более.Также применение сплавов широко используется в строительстве, машиностроении и промышленности. Цель:понять как протекает диффузия в твердых телах и как зависит от внешнего воздействия

Оборудование:

пластилин

Процесс:

Простой и доступный каждому пример диффузии твердых тел: если взять два куска пластилина разных цветов и разминать их в руках, то можно наблюдать, как смешиваются цвета. Это происходит из-за внешнего воздействия на пластилин. Если внешнего воздействия не совершать и просто прижать два куска пластилина друг к другу, то для того, чтобы цвета перемешались — потребуются годы.

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

Диффузия в окружающем мире

Дыхание и питание человека

Кислород из воздуха проникает в капилляры крови, расположенные в легких, после этого растворяется в них и разносится по всему организму. В свою очередь углекислый газ диффундирует из капилляров в альвеолы легких.Питательные вещества, выделяемые из пищи путем диффузии проникают в клетки.

Удобрение почв тоже происходят с помощью диффузии. 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.

Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости, они прижимаются брюшком к земле и передают ей свой запах. Некоторые муравьи не всегда бегут точно по намеченному пути, а сбоку от трассы, потому что запах достаточно силен. Потеряв след, они кругами вновь находят «дорогу» и спешат по ней. Муравьиные трассы бывают длиной несколько метров.Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчелы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем.Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи. Диффузия помимо пользы дает человеку и огромный вред. Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ, оксиды азота и серы. Избыток углекислого газа в атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в природе, приводит к образованию кислотных дождей. Процесс диффузии играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов. Годовой сброс производственных и бытовых стоков в мире равен примерно 10 триллионов тонн. Загрязнение водоемов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду, используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого. Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается содержание кислорода в воде, что плохо для водных организмов. Из-за повышения температуры воды многие реки теперь зимой не замерзают.

Норильск признан самым загрязненным городом Красноярского края. Фото Александр Страх

Пылающая нефтяная платформа в Мексиканском заливе.Фото US Coast Guard | Reuters

Диффузия — фундаментальное явление природы, поэтому так важно изучать и понимать это явление. Без диффузии не существовало бы Вселенной, планет, Земли, всего живого.

Диффузия — это процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества.

Явление диффузии обусловлено стремлением к равновесию.

Скорость диффузии зависит от следующих факторов: температура, агрегатное состояние вещества, внешнее воздействие.

Процесс смешивания частиц в газах протекает очень быстро (несколько секунд), т.к. между частицами газа существуют большие промежутки.

Процесс смешивания частиц в жидкостях протекает медленнее, чем в газах(от нескольких минут до нескольких часов). Это обусловлено тем, что частицы в жидкости расположены так, что расстояние между соседними частицами меньше их размеров.

Диффузия в твердых телах протекает очень медленно(несколько лет) из-за большой плотности твердых тел.

Выходное тестирование

Проверь как изучил урок

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

0%

Ты еще не готов к этому уроку

Начинай изучать урок

Предыдущий урок

Силы, законы Ньютона

Урок разработали

Можно копировать, распространять, улучшать, при условии указания авторства, ссылки на урок и сохранения данной лицензии у производного материала

Под свободной лицензиейCC-BY-SA-4.0

Помогите улучшить

Мы рады любой помощи по улучшению урока. Пишите комментарии с предложениями, отмечайте понятные или непонятные элементы урока.

Источник: https://microschool.io/ru/book/physics/diffuziya-v-gazah-zhidkostyah-i-tverdyh-telah

Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе

  • 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.

    Уравнение диффузии в физике

    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:

    Уравнение диффузии в физике

    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.

    Уравнение диффузии в физике

    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.

    Уравнение диффузии в физике

    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.

    Уравнение диффузии в физике

    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

    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.

    Читайте также:  Геометрические вероятности, формулы и примеры

    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.

    Уравнение диффузии в физике

    Ничего непонятно?

    Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

    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:

    $frac{dm}{dt}=-DCfrac{dC}{dx}$, 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:

    $D=RT/NA cdot 1/6pietaŋr$, 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/

    Что такое диффузия (физика 7класс)

    Александр Мудрец (15388) 11 лет назад Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

    Самым известным примером диффузии является перемешивание газов (аромат духов смешивается с кислородом и его можно почувствовать стоя вдали от человека, надушившегося ими) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то вода через некоторое время, станет равномерного цвета) .

    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.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 с диаметром в два сантиметра, чем через стержень с диаметром в один сантиметр.

    Это тепло будет распространяться в два раза 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.Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии пропорциональна в связи с этим 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 одна молекула в четыре раза тяжелее 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 делящегося под нейтронным облучением 235U от основной массы 238U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде.

    Источник: wiki

    Azim Adylov Ученик (129) 4 года назад Диффу́зия (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 [1]. 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 (вдоль вектора градиента концентрации).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.Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит с огромной скоростью. 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.

    Другой пример: на золотой слиток был положен слиток свинца, и под грузом за пять лет свинцовый слиток проник в золотой слиток на сантиметр.

    Первое количественное описание процессов диффузии было дано немецким физиологом А. Фиком в 1855 году

    Владислав Никишин Ученик (119) 3 года назад Диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Самым известным примером диффузии является перемешивание газов (аромат духов смешивается с кислородом и его можно почувствовать стоя вдали от человека, надушившегося ими) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то вода через некоторое время, станет равномерного цвета) .

    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.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 с диаметром в два сантиметра, чем через стержень с диаметром в один сантиметр.

    Это тепло будет распространяться в два раза 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.Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии пропорциональна в связи с этим 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 одна молекула в четыре раза тяжелее 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 делящегося под нейтронным облучением 235U от основной массы 238U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие,

    Источник: Википедия

    sd dsd Ученик (140) 3 года назад Диффу́зия (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 [1]. 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 (вдоль вектора градиента концентрации).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.

    Скорость протекания диффузии зависит от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит с огромной скоростью. 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.

    Другой пример: на золотой слиток был положен слиток свинца, и под грузом за пять лет свинцовый слиток проник в золотой слиток на сантиметр.

    Светлана Тадевосян

    Источник: https://otvet.mail.ru/question/22293009

    Ссылка на основную публикацию