Parmi les nombreux phénomènes de la physique, le processus de diffusion est l'un des plus simples et des plus compréhensibles. Après tout, chaque matin, en se préparant du thé ou du café parfumé, une personne a la possibilité d'observer cette réaction dans la pratique. Apprenons-en plus sur ce processus et les conditions de son apparition dans différents états agrégés.
Qu'est-ce que la diffusion
Ce mot fait référence à la pénétration de molécules ou d'atomes d'une substance entre des unités structurelles similaires d'une autre. Dans ce cas, la concentration des composés pénétrants est nivelée.
Ce processus a été décrit pour la première fois en détail par le scientifique allemand Adolf Fick en 1855
Le nom de ce terme a été formé à partir du nom verbal latin diffusio (interaction, dispersion, distribution).
Diffusion dans un liquide
Le processus considéré peut se produire avec des substances dans les trois états d'agrégation: gazeux, liquide et solide. Pour des exemples pratiques de cela, il suffit de regardercuisine.
Le bortsch cuit à la poêle en fait partie. Sous l'influence de la température, les molécules de glucosine bétanine (une substance grâce à laquelle les betteraves ont une couleur écarlate si riche) réagissent uniformément avec les molécules d'eau, lui donnant une teinte bordeaux unique. Ce cas est un exemple de diffusion dans les liquides.
En plus du bortsch, ce processus peut également être observé dans un verre de thé ou de café. Ces deux boissons ont une teinte si riche et uniforme en raison du fait que les feuilles de thé ou les particules de café, se dissolvant dans l'eau, se répartissent uniformément entre ses molécules, la colorant. L'action de toutes les boissons instantanées populaires des années 90 est construite sur le même principe: Yupi, Invite, Zuko.
Interpénétration des gaz
En continuant à chercher des manifestations du processus en question dans la cuisine, il vaut la peine de renifler et de profiter de l'agréable arôme émanant d'un bouquet de fleurs fraîches sur la table à manger. Pourquoi cela se produit-il ?
Les atomes et les molécules porteurs d'odeurs sont en mouvement actif et, par conséquent, sont mélangés avec des particules déjà dans l'air, et sont dispersés assez uniformément dans le volume de la pièce.
Ceci est une manifestation de la diffusion dans les gaz. Il convient de noter que l'inhalation même de l'air fait également partie du processus considéré, ainsi que l'odeur appétissante du bortsch fraîchement cuit dans la cuisine.
Diffusion dans les solides
La table de la cuisine fleurie est recouverte d'une nappe jaune vif. Elle a reçu une teinte similaire grâce àla capacité de diffusion à traverser les solides.
Le processus de donner à la toile une teinte uniforme se déroule en plusieurs étapes comme suit.
- Particules de pigment jaune diffusées dans le réservoir d'encre vers le matériau fibreux.
- Ils ont ensuite été absorbés par la surface extérieure du tissu teint.
- L'étape suivante consistait à nouveau à diffuser le colorant, mais cette fois dans les fibres de la toile.
- En finale, le tissu a fixé les particules de pigment, devenant ainsi coloré.
Diffusion des gaz dans les métaux
Habituellement, en parlant de ce processus, considérez l'interaction de substances dans le même état d'agrégation. Par exemple, la diffusion dans les solides, les solides. Pour prouver ce phénomène, une expérience est réalisée avec deux plaques métalliques pressées l'une contre l'autre (or et plomb). L'interpénétration de leurs molécules prend un temps assez long (un millimètre en cinq ans). Ce processus est utilisé pour fabriquer des bijoux inhabituels.
Cependant, les composés dans différents états agrégés sont également capables de diffuser. Par exemple, il y a diffusion des gaz dans les solides.
Au cours des expériences, il a été prouvé qu'un tel processus se déroule à l'état atomique. Pour l'activer, en règle générale, vous avez besoin d'une augmentation significative de la température et de la pression.
Un exemple d'une telle diffusion gazeuse dans les solides est la corrosion par l'hydrogène. Elle se manifeste dans des situations oùLes atomes d'hydrogène (Н2) qui sont apparus au cours d'une réaction chimique sous l'influence de températures élevées (de 200 à 650 degrés Celsius) pénètrent entre les particules structurelles du métal.
En plus de l'hydrogène, la diffusion de l'oxygène et d'autres gaz peut également se produire dans les solides. Ce processus, imperceptible à l'œil nu, fait beaucoup de mal, car les structures métalliques peuvent s'effondrer à cause de cela.
Diffusion de liquides dans les métaux
Cependant, non seulement les molécules de gaz peuvent pénétrer dans les solides, mais aussi dans les liquides. Comme dans le cas de l'hydrogène, ce processus conduit le plus souvent à la corrosion (lorsqu'il s'agit de métaux).
Un exemple classique de diffusion liquide dans les solides est la corrosion des métaux sous l'influence de l'eau (H2O) ou de solutions électrolytiques. Pour la plupart, ce processus est plus familier sous le nom de rouille. Contrairement à la corrosion par l'hydrogène, dans la pratique, elle doit être rencontrée beaucoup plus souvent.
Conditions pour accélérer la diffusion. Coefficient de diffusion
Après avoir traité des substances dans lesquelles le processus considéré peut se produire, il convient de connaître les conditions de son apparition.
Tout d'abord, la vitesse de diffusion dépend de l'état agrégé des substances en interaction. Plus la densité du matériau dans lequel la réaction se produit est grande, plus sa vitesse est lente.
À cet égard, la diffusion dans les liquides et les gaz sera toujours plus active que dans les solides.
Par exemple, si les cristauxpermanganate de potassium KMnO4 (permanganate de potassium) jeter dans l'eau, ils lui donneront une belle couleur framboise en quelques minutes Couleur. Cependant, si vous saupoudrez des cristaux de KMnO4 sur un morceau de glace et mettez le tout au congélateur, après quelques heures, le permanganate de potassium ne pas pouvoir colorer complètement le H 2O.
De l'exemple précédent, une conclusion supplémentaire sur les conditions de diffusion peut être tirée. En plus de l'état d'agrégation, la température affecte également le taux d'interpénétration des particules.
Pour considérer la dépendance du processus considéré à son égard, il vaut la peine de se renseigner sur un concept tel que le coefficient de diffusion. C'est le nom de la caractéristique quantitative de sa vitesse.
Dans la plupart des formules, il est désigné par une lettre latine majuscule D et dans le système SI, il est mesuré en mètres carrés par seconde (m² / s), parfois en centimètres par seconde (cm2 /m).
Le coefficient de diffusion est égal à la quantité de matière diffusée à travers une unité de surface pendant une unité de temps, à condition que la différence de densité sur les deux surfaces (situées à une distance égale à une unité de longueur) soit égale à un. Les critères qui déterminent D sont les propriétés de la substance dans laquelle se déroule le processus de diffusion des particules et leur type.
La dépendance du coefficient à la température peut être décrite à l'aide de l'équation d'Arrhenius: D=D0exp(-E/TR).
Dans la formule considérée, E est l'énergie minimale nécessaire pour activer le processus; T - température (mesurée en Kelvin et non en Celsius); R-constante de gaz caractéristique d'un gaz parfait.
En plus de tout ce qui précède, le taux de diffusion dans les solides, les liquides dans les gaz est affecté par la pression et le rayonnement (inductif ou à haute fréquence). De plus, beaucoup dépend de la présence d'une substance catalytique, souvent elle agit comme un déclencheur pour le début de la dispersion active des particules.
Équation de diffusion
Ce phénomène est une forme particulière de l'équation aux dérivées partielles.
Son but est de trouver la dépendance de la concentration d'une substance à la taille et aux coordonnées de l'espace (dans lequel elle diffuse), ainsi qu'au temps. Dans ce cas, le coefficient donné caractérise la perméabilité du milieu pour la réaction.
Le plus souvent, l'équation de diffusion s'écrit comme suit: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
In it φ (t et r) est la densité de la substance diffusante au point r au temps t. D (φ, r) - coefficient de diffusion généralisé à densité φ au point r.
∇ - opérateur différentiel vectoriel dont les composantes sont des dérivées partielles en coordonnées.
Lorsque le coefficient de diffusion dépend de la densité, l'équation est non linéaire. Lorsqu'il n'est pas - linéaire.
Après avoir examiné la définition de la diffusion et les caractéristiques de ce processus dans différents environnements, on peut noter qu'il a des côtés positifs et négatifs.
