Начнем с определения. Что такое диффузия?
Диффузия — это процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.
Как и многие другие физические термины, это слово зародилось в языке древних римлян — латыни. Diffusio — распространение, растекание, рассеивание, взаимодействие.
«Но как это возможно? В каких веществах и телах происходит диффузия?» — спросите вы. Не беспокойтесь, сейчас во всем разберемся!
Строение вещества и агрегатные состояния
Наверняка вы слышали, что все вещества состоят из молекул. Золотой слиток, кактус на подоконнике и даже ваш любимый бургер 🍔 состоят из мельчайших частичек, которые являются носителями всех физических и химических свойств этого предмета или вещества.
В зависимости от агрегатного состояния, в газах, жидкостях и твердых телах меняются две вещи. Во-первых, расстояние между молекулами. Давайте вспомним (или догадаемся), каким должно быть расстояние между молекулами, чтобы предмет характеризовали слова «твердый», «крепкий», «держащий форму»? Правильно, расстояние должно быть очень маленьким, чтобы молекулы выстраивались в стройные рядочки и, держась друг за друга, не позволяли телу растечься и потерять форму.
А если нам все же нужна эта текучесть? Тогда расстояние между молекулами нужно немного увеличить, но так, чтобы силы взаимодействия еще держали молекулы рядом друг с другом и они не разлетались по всему объему сосуда. Представьте, как тяжело было бы пить сок, если бы его пришлось ловить по всей комнате!
С газами происходит именно такая история. Газы (кислород, водород, хлор и другие) также состоят из молекул, но расстояние между ними настолько большое, что они обладают свойствами, отличными от свойств жидкостей и твердых тел: газы занимают весь предоставленный объем, легко сжимаются, не имеют своей формы.
Кивните, если все понятно. Кивнули? Прекрасно, идем дальше.
В зависимости от того, в каком состоянии находится вещество, будет меняться и скорость движения молекул (скорость зависит также от температуры, но об этом позже). В твердых телах молекулы выстраиваются в так называемые кристаллические решетки, об этом мы говорили выше. Эта жесткая структура не позволяет молекулам летать где им вздумается и сталкиваться со своими братьями и сестрами. Все, что остается бедным молекулам, — вибрировать на своих местах и ждать тех времен, когда можно будет сменить агрегатное состояние на какое-нибудь другое.
Когда температура вещества поднимется и достигнет критического значения, тело начнет плавиться — становиться жидкостью. Молекулы при этом хоть и не обретают полную свободу, но начинают двигаться активнее. Они способны перепрыгивать со своих мест, сталкиваться с другими молекулами — вести активный образ жизни. И чем выше температура жидкости, тем быстрее двигаются молекулы.
А при переходе в газообразное состояние наступает полная свобода! Молекулы разрывают все связи друг с другом, двигаются очень быстро и хаотично, словно соревнуются по скорости полета, красоте кувырков и количеству столкновений.
В разрезе этой темы стоит упомянуть и броуновское движение. Похоже ли оно на диффузию?
Броуновское движение — беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных частиц твердого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.
Как мы видим, броуновское движение отвечает за хаотичное перемещение микрочастичек в жидкостях или газах, в то время как благодаря явлению диффузии вещества проникают друг в друга.
«Это все, конечно, увлекательно, — можете возразить вы, — но когда возникает диффузия?»
Она происходит прямо сейчас! 😱
Диффузия газов
Давайте проведем небольшой эксперимент — вам он точно понравится. Посадим родителей в зале и попросим проследить за окружающей обстановкой, понять, что изменилось. А сами уйдем в соседнюю комнату и начнем чистить апельсин. Как скоро родители почувствуют аромат цитрусов? Вероятно, очень скоро. Скорее, чем вам удастся съесть апельсин в одиночку.
А если вы забыли вынести мусор, хотя обещали? Неприятный запах выдаст вас достаточно скоро.
Каким образом происходит распространение запахов по воздуху? Правильный ответ — диффузия! Расстояния между молекулами в газах (а воздух — это газ) достаточно большие, поэтому между ними легко проскакивают другие частицы. Молекулы вещества маневрируют между частицами воздуха и перемешиваются в одну большую компанию.
Представьте футбольное поле с двумя командами. В начале игры каждая стоит на своей части, но как только звучит свисток арбитра, футболисты начинают матч, каждую секунду занимая новое положение. В конечном итоге мы увидим, как команды перемешались между собой. То же самое происходит и в процессе диффузии.
Интересно, что чем выше температура, тем быстрее этот процесс протекает. Именно поэтому запах свежеиспеченного хлеба можно почувствовать за несколько кварталов от булочной, а запах мороженого — нет.
Получи больше пользы от Skysmart:
-
Подтяни оценки на курсах по физике.
-
Выбирай из 890+ репетиторов по физике.
Записывайся на бесплатные курсы для детей.
Диффузия жидкостей
Если вы немного устали, можно сделать короткий перерыв и выпить горячего чая. А может, кофе или какао? Какой напиток вы предпочитаете? С молоком или без?
Важно ли это в свете изучаемой нами темы? Очень, ведь даже в таком обычном деле, как приготовление чая или кофе, можно наблюдать диффузию.
Записываем рецепт: берем стакан горячей воды, наливаем туда заварки, а потом молока. Добавляем сахар по вкусу. Но не спешите перемешивать! Обратите внимание, как жидкости сами перемешиваются между собой — и в итоге мы получаем ароматный бодрящий напиток.
Теперь вы можете объяснить это явление с помощью физики. Попробуем?
Дело в том, что молекулы заварки проникают в промежутки между молекулами воды и перемешиваются друг с другом до тех пор, пока мы не получим однородную смесь. Тот же процесс происходит и при добавлении молока, сиропов и других ингредиентов подобно тому, как этот процесс происходит в газах.
Единственное отличие — скорость протекания диффузии. В жидкостях расстояние между молекулами меньше, а значит, другим молекулам сложнее протиснуться — это занимает больше времени.
Диффузия жидкостей также зависит и от температуры. Именно поэтому есть смысл заваривать чай в горячей воде, а не в холодной или солить горячий суп.
Диффузия твердых тел
А как вы думаете, возможна ли диффузия твердых тел? Как быстро она будет протекать?
Да, диффузия возможна, и да, протекать она будет очень медленно. Чтобы молекулы одного твердого вещества проникли в другое всего на несколько миллиметров, понадобятся не дни и не месяцы, а годы! И причиной этому является очень маленькое расстояние между молекулами и их расположение в узлах кристаллической решетки.
Как ускорить этот процесс? Правильно, на помощь снова приходит температура. В огромных доменных печах слить несколько металлов в один можно достаточно быстро — для этого потребуется несколько часов.
Самые распространенные примеры диффузии твердых тел зачастую связаны именно с металлами. В обычной жизни мы используем большое количество предметов, в состав которых входят одновременно алюминий и железо, золото и серебро. Чтобы изготовить самокат без использования технологии сварки и наплавления, пришлось бы ждать десятки лет — и катались бы вы на нем уже со своими внуками. А развитие космической отрасли и компьютерных технологий с их чипами, микросхемами и платами вообще было бы невозможным.
Диффузия в окружающем мире
Затронем еще один вопрос: происходит ли диффузия в окружающем мире?
Думаем, вы уже знаете ответ: да, конечно! Можно сказать, что этот процесс происходит постоянно и является причиной многих явлений, о которых мы даже не задумывались. Давайте рассмотрим некоторые интересные примеры:
кровообращение: благодаря диффузии молекулы кислорода проникают в кровь, которая доставляет их ко всем органам;
питание: витамины и минералы, которые содержатся в пище, проникают в клетки организма;
растворение веществ в жидкости;
неоднородность воздуха (воздух — сложное вещество, которое состоит из кислорода, углекислого газа, азота и других газов);
распространение запахов.
К сожалению, диффузия отвечает не только за положительные явления. Она также является причиной загрязнения нашей планеты: воздуха, воды, почвы. Молекулы канцерогенных, ядовитых веществ попадают в атмосферу и гидросферу, вызывая необратимые изменения.
И последнее: для решения задач про диффузию формула не нужна! Достаточно материала, который мы обсудили в этой статье. Приятная новость, правда?
На уроках физики в онлайн-школе Skysmart вы познакомитесь и с другими интересными явлениями, которые не раз заставят вас удивиться, а может, даже вдохновят разобраться в устройстве нашего мира еще лучше. Ждем вас на наших уроках!
