من بين الظواهر العديدة في الفيزياء ، تعتبر عملية الانتشار واحدة من أبسط الظواهر وأكثرها قابلية للفهم. بعد كل شيء ، كل صباح ، يحضر لنفسه الشاي أو القهوة العطرية ، لدى الشخص الفرصة لمراقبة رد الفعل هذا في الممارسة. دعنا نتعلم المزيد عن هذه العملية وشروط حدوثها في حالات إجمالية مختلفة.
ما هو الانتشار
تشير هذه الكلمة إلى تغلغل جزيئات أو ذرات مادة ما بين وحدات هيكلية متشابهة لمادة أخرى. في هذه الحالة ، يتم تسوية تركيز المركبات المخترقة.
تم وصف هذه العملية لأول مرة بالتفصيل من قبل العالم الألماني أدولف فيك في عام 1855
تم تشكيل اسم هذا المصطلح من الاسم اللاتيني اللفظي diffusio (تفاعل ، تشتت ، توزيع).
انتشار في سائل
يمكن أن تحدث العملية قيد الدراسة مع المواد الموجودة في جميع حالات التجميع الثلاث: الغازية والسائلة والصلبة. للحصول على أمثلة عملية لهذا ، فقط انظر إلىالمطبخ.
حساء مسلوق في موقد هو واحد منهم. تحت تأثير درجة الحرارة ، تتفاعل جزيئات الجلوكوزين بيتانين (مادة يكون للبنجر بسببها مثل هذا اللون القرمزي الغني) بالتساوي مع جزيئات الماء ، مما يمنحها لونًا بورجونديًا فريدًا. هذه الحالة هي مثال على الانتشار في السوائل.
بالإضافة إلى البورشت ، يمكن أيضًا رؤية هذه العملية في كوب من الشاي أو القهوة. كلا المشروبين لهما ظل غني موحد بسبب حقيقة أن أوراق الشاي أو جزيئات القهوة تذوب في الماء وتنتشر بالتساوي بين جزيئاتها وتلوينها. تم بناء حركة جميع المشروبات الفورية الشهيرة في التسعينيات على نفس المبدأ: Yupi ، Invite ، Zuko.
تغلغل الغازات
مواصلة البحث عن مظاهر العملية المعنية في المطبخ ، يجدر الاستنشاق والاستمتاع بالرائحة اللطيفة المنبعثة من باقة من الزهور الطازجة على مائدة الطعام. لماذا يحدث هذا؟
الذرات والجزيئات الحاملة للرائحة في حركة نشطة ، ونتيجة لذلك ، تختلط مع الجسيمات الموجودة بالفعل في الهواء ، وتتشتت بشكل متساوٍ في حجم الغرفة.
هذا مظهر من مظاهر الانتشار في الغازات. وتجدر الإشارة إلى أن استنشاق الهواء بالذات ينتمي أيضًا إلى العملية قيد الدراسة ، فضلاً عن الرائحة الشهية للبورشت المطبوخ حديثًا في المطبخ.
انتشار في المواد الصلبة
طاولة المطبخ المزينة بالورود مغطاة بفرش طاولة أصفر فاتح. حصلت على الظل مماثل بفضلقدرة الانتشار على المرور عبر المواد الصلبة.
تتم عملية إعطاء القماش بعض الظل الموحد على عدة مراحل على النحو التالي.
- جزيئات الصبغة الصفراء منتشرة في خزان الحبر باتجاه المادة الليفية.
- ثم تم امتصاصها بواسطة السطح الخارجي للنسيج المصبوغ.
- كانت الخطوة التالية هي نشر الصبغة مرة أخرى ، ولكن هذه المرة في ألياف الويب.
- في النهاية ، ثبت النسيج جزيئات الصبغة ، وبالتالي أصبح ملونًا.
انتشار الغازات في المعادن
عادة ، عند الحديث عن هذه العملية ، ضع في اعتبارك تفاعل المواد في نفس حالة التجميع. على سبيل المثال ، الانتشار في المواد الصلبة ، والمواد الصلبة. ولإثبات هذه الظاهرة يتم إجراء تجربة بضغط لوحين معدنيين على بعضهما البعض (ذهب ورصاص). يستغرق تغلغل جزيئاتها وقتًا طويلاً (مليمتر واحد في خمس سنوات). تستخدم هذه العملية لصنع مجوهرات غير عادية.
ومع ذلك ، فإن المركبات في حالات التجميع المختلفة قادرة أيضًا على نشرها. على سبيل المثال ، هناك انتشار للغازات في المواد الصلبة.
خلال التجارب ثبت أن مثل هذه العملية تحدث في الحالة الذرية. لتنشيطه ، كقاعدة عامة ، تحتاج إلى زيادة كبيرة في درجة الحرارة والضغط.
مثال على مثل هذا الانتشار الغازي في المواد الصلبة هو تآكل الهيدروجين. يتجلى في المواقف التيذرات الهيدروجين (Н2) التي نشأت في سياق بعض التفاعلات الكيميائية تحت تأثير درجات الحرارة المرتفعة (من 200 إلى 650 درجة مئوية) تخترق بين الجزيئات الهيكلية للمعدن.
بالإضافة إلى الهيدروجين ، يمكن أن يحدث انتشار الأكسجين والغازات الأخرى أيضًا في المواد الصلبة. هذه العملية غير المحسوسة للعين تسبب الكثير من الضرر ، لأن الهياكل المعدنية يمكن أن تنهار بسببها.
انتشار السوائل في المعادن
ومع ذلك ، ليس فقط جزيئات الغاز يمكنها اختراق المواد الصلبة ، ولكن السوائل أيضًا. كما في حالة الهيدروجين ، غالبًا ما تؤدي هذه العملية إلى التآكل (عندما يتعلق الأمر بالمعادن).
المثال الكلاسيكي لانتشار السوائل في المواد الصلبة هو تآكل المعادن تحت تأثير الماء (H2O) أو المحاليل المنحل بالكهرباء. بالنسبة لمعظم الناس ، هذه العملية مألوفة أكثر تحت اسم الصدأ. على عكس التآكل الهيدروجين ، فإنه من الناحية العملية يجب مواجهته في كثير من الأحيان.
شروط تسريع الانتشار. معامل الانتشار
بعد التعامل مع المواد التي يمكن أن تحدث فيها العملية قيد الدراسة ، يجدر التعرف على شروط حدوثها.
بادئ ذي بدء ، تعتمد سرعة الانتشار على الحالة الكلية للمواد المتفاعلة. كلما زادت كثافة المادة التي يحدث فيها التفاعل ، كان معدله أبطأ.
في هذا الصدد ، سيكون الانتشار في السوائل والغازات دائمًا أكثر نشاطًا من المواد الصلبة.
على سبيل المثال ، إذا كانت البلوراتبرمنجنات البوتاسيوم KMnO4 ( برمنجنات البوتاسيوم ) رميها في الماء ، ستعطيه لون توت جميل في غضون دقائق قليلة اللون. ومع ذلك ، إذا قمت برش بلورات KMnO4 على قطعة من الثلج ووضعها كلها في الفريزر ، بعد بضع ساعات ، سوف برمنجنات البوتاسيوم لن تكون قادرًا على تلوين H2O.
المجمدة بالكامل
من المثال السابق ، يمكن استخلاص استنتاج آخر حول ظروف الانتشار. بالإضافة إلى حالة التجميع ، تؤثر درجة الحرارة أيضًا على معدل تغلغل الجسيمات.
للنظر في اعتماد العملية قيد النظر عليها ، يجدر التعرف على مفهوم مثل معامل الانتشار. هذا هو اسم الخاصية الكمية لسرعته
في معظم الصيغ ، يتم الإشارة إليها بحرف لاتيني كبير D وفي نظام SI يتم قياسها بالمتر المربع في الثانية (m² / s) ، أحيانًا بالسنتيمتر في الثانية (cm2/ م).
معامل الانتشار يساوي كمية المادة المنتشرة على سطح وحدة خلال وحدة زمنية ، بشرط أن يكون فرق الكثافة على كلا السطحين (الموجود على مسافة مساوية لوحدة الطول) يساوي واحدًا. المعايير التي تحدد D هي خصائص المادة التي تحدث فيها عملية تشتت الجسيمات نفسها ، ونوعها.
يمكن وصف اعتماد المعامل على درجة الحرارة باستخدام معادلة أرهينيوس: D=D0exp(- E / TR).
في الصيغة المدروسة E هو الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لتنشيط العملية ؛ T - درجة الحرارة (تقاس بالكلفن وليس بالدرجة المئوية) ؛ ص-ثابت الغاز المميز للغاز المثالي
بالإضافة إلى كل ما سبق ، فإن معدل انتشار المواد الصلبة والسوائل في الغازات يتأثر بالضغط والإشعاع (حثي أو عالي التردد). بالإضافة إلى ذلك ، يعتمد الكثير على وجود مادة محفزة ، وغالبًا ما تعمل كمحفز لبدء التشتت النشط للجسيمات.
معادلة الانتشار
هذه الظاهرة هي شكل خاص من المعادلة التفاضلية الجزئية.
هدفه هو معرفة اعتماد تركيز مادة ما على حجم وإحداثيات الفضاء (الذي تنتشر فيه) ، وكذلك الوقت. في هذه الحالة ، المعامل المحدد يميز نفاذية الوسط للتفاعل.
في أغلب الأحيان ، تتم كتابة معادلة الانتشار على النحو التالي: ∂φ (r، t) / t=∇ x [D (φ، r) ∇ φ (r، t)].
فيه φ (t و r) هي كثافة مادة الانتثار عند النقطة r في الوقت t. D (φ ، r) - معامل الانتشار المعمم عند الكثافة φ عند النقطة r.
∇ - عامل تفاضل متجه مكوناته مشتقات جزئية في الإحداثيات.
عندما يعتمد معامل الانتشار على الكثافة ، تكون المعادلة غير خطية. عندما لا - خطي.
بعد النظر في تعريف الانتشار وخصائص هذه العملية في بيئات مختلفة ، يمكن ملاحظة أن لها جوانب إيجابية وسلبية.
