لنبدأ بحقيقة أن السائل هو حالة وسيطة للتجمع. عند نقطة الغليان الحرجة ، تكون مشابهة للغازات ، وعند درجات حرارة منخفضة تظهر خصائص مشابهة لمادة صلبة. لا يحتوي السائل على نموذج مثالي ، مما يعقد بشكل كبير وصف خصائص التوازن الديناميكي الحراري ، ونقطة التجمد ، واللزوجة ، والانتشار ، والتوصيل الحراري ، والتوتر السطحي ، والإنتروبيا ، والمحتوى الحراري.
التعريف
ما هو الانتشار؟ هذا هو انتشار وتوزيع وحركة جسيمات الوسط ، مما يؤدي إلى انتقال المادة ، وإنشاء تركيزات التوازن. في حالة عدم وجود تأثيرات خارجية ، يتم تحديد هذه العملية من خلال الحركة الحرارية للجسيمات. في هذه الحالة ، تتناسب عملية الانتشار طرديًا مع التركيز. سوف يتغير تدفق الانتشار بشكل مشابه لتدرج التركيز.
أصناف
إذا استمر الانتشار في سائل مع تغير في درجة الحرارة ، فإنه يسمى بالانتشار الحراري ، في مجال كهربائي - الانتشار الكهربائي.
تحدث عملية حركة الجزيئات الكبيرة في سائل أو غاز تحتهاقوانين الحركة البراونية.
ميزات التدفق
ينتشر انتشار الغازات والسوائل والمواد الصلبة بسرعات مختلفة. بسبب الاختلافات في طبيعة الحركة الحرارية للجسيمات في وسائط مختلفة ، فإن العملية لها السرعة القصوى في الغازات ، والمعدل الأدنى - في المواد الصلبة.
مسار الجسيم عبارة عن خط متقطع ، حيث يتغير الاتجاه والسرعة بشكل دوري. بسبب الحركة غير المنتظمة ، لوحظ إزالة تدريجية للجسيم من موقعه الأصلي. إزاحته على طول خط مستقيم أقصر بكثير من المسار الذي يحدث على طول مسار مكسور.
قانون فيك
الانتشار في سائل يتبع قانونين فيك:
- كثافة تدفق الانتشار تتناسب طرديا مع التركيز مع معامل الانتشار ؛
- معدل التغيير في كثافة تدفق الانتشار يتناسب طرديا مع معدل التغيير في التركيز وله اتجاه معاكس.
يتميز الإنتشار في السائل بقفزات الجزيئات من موقع توازن إلى آخر. يتم ملاحظة كل قفزة من هذا القبيل عندما يتم نقل الطاقة إلى الجزيء في حجم كافٍ لكسر الرابطة مع الجسيمات الأخرى. متوسط القفزة لا يتجاوز المسافة بين الجزيئات.
عند مناقشة ماهية الانتشار في السائل ، نلاحظ أن العملية تعتمد على درجة الحرارة. مع زيادتها ، يحدث "تفكك" للهيكل السائل ، مما يؤدي إلى زيادة حادة فيعدد القفزات لكل وحدة زمنية.
الانتشار في الغازات والسوائل والمواد الصلبة له بعض الخصائص المميزة. على سبيل المثال ، في المواد الصلبة ، ترتبط الآلية بحركة الذرات داخل الشبكة البلورية.
ملامح الظاهرة
يعد الانتشار في السائل ذا فائدة عملية نظرًا لكونه مصحوبًا بمعادلة تركيز مادة ما في وسط غير متجانس في البداية. يهرب عدد أكبر من الجزيئات بشكل ملحوظ من المناطق ذات التركيز العالي.
تجارب
أظهرت التجارب على السوائل أن الانتشار له أهمية خاصة في الخواص الحركية الكيميائية. أثناء عملية كيميائية على سطح المواد المتفاعلة أو المحفز ، تساهم هذه العملية في تحديد معدل إزالة نواتج التفاعل وإضافة الكواشف الأولية.
ما الذي يفسر الانتشار في السوائل؟ جزيئات المذيبات قادرة على اختراق الأغشية الشفافة ، مما ينتج عنه ضغط تناضحي. وجدت هذه الظاهرة تطبيقًا في الطرق الكيميائية والفيزيائية لفصل المواد.
النظم البيولوجية
في هذه الحالة ، يمكن اعتبار نماذج الانتشار على سبيل المثال دخول أكسجين الهواء إلى الرئتين ، وامتصاص منتجات الجهاز الهضمي من الأمعاء إلى الدم ، وامتصاص العناصر المعدنية بواسطة شعر الجذر. يحدث إنتشار الأيونات أثناء توليد النبضات الكهربية الحيوية بواسطة العضلات والخلايا العصبية.
العامل المادي الذي يؤثرانتقائية التراكم في خلايا الجسم لعناصر معينة ، هو المعدل المختلف لاختراق الأيونات من خلال أغشية الخلية. يمكن التعبير عن هذه العملية بواسطة قانون Fick ، واستبدال قيمة معامل الانتشار بنفاذية الغشاء ، وبدلاً من تدرج التركيز ، استخدم الفرق في القيم على جانبي الغشاء. مع انتشار تغلغل الماء والغازات في الخلية ، تتغير مؤشرات الضغط الاسموزي خارج الخلية وداخلها.
تحليل ما يعتمد عليه الانتشار ، نلاحظ أن هناك عدة أنواع من هذه العملية. يرتبط الشكل البسيط بالنقل الحر للأيونات والجزيئات نحو تدرج إمكاناتها الكهروكيميائية. على سبيل المثال ، هذا الخيار مناسب لتلك المواد التي تكون فيها الجزيئات صغيرة الحجم ، على سبيل المثال ، كحول الميثيل والماء.
المتغير المحدود يفترض نقلًا ضعيفًا للمادة. على سبيل المثال ، حتى الجسيمات الصغيرة لا يمكنها اختراق الخلية.
صفحات التاريخ
تم اكتشاف الانتشار خلال ذروة الثقافة اليونانية القديمة. كان ديموقريطس وأناكسوجوراس مقتنعين بأن أي مادة تتكون من ذرات. لقد شرحوا مجموعة متنوعة من المواد الشائعة في الطبيعة من خلال الروابط بين الذرات الفردية. لقد افترضوا أن هذه الجسيمات يمكن أن تختلط لتكوين مواد جديدة. من بين مؤسسي النظرية الحركية الجزيئية ، التي أوضحت آلية الانتشار ، لعب ميخائيل لومونوسوف دورًا خاصًا. أعطوا تعريفًا لجزيء ، ذرة ، وشرحوا آلية الذوبان.
تجارب
تسمح لك التجربة مع السكر بفهم جميع ميزات الانتشار. إذا وضعت قطعة من السكر في شاي بارد ، سيتشكل شراب سميك تدريجيًا في قاع الكوب. إنه مرئي للعين المجردة. بعد مرور بعض الوقت ، سيتم توزيع الشراب بالتساوي على حجم السائل ولن يكون مرئيًا بعد ذلك. تستمر هذه العملية تلقائيًا ولا تتضمن خلط مكونات المحلول. وبالمثل ، فإن رائحة العطر تنتشر في جميع أنحاء الغرفة.
توضح التجارب المذكورة أعلاه أن الانتشار هو عملية تلقائية لاختراق جزيئات مادة إلى أخرى. انتشار المادة يحدث في كل الاتجاهات بالرغم من وجود الجاذبية. هذه العملية هي تأكيد مباشر للحركة المستمرة لجزيئات المادة.
وهكذا ، في المثال أعلاه ، يتم نشر جزيئات السكر والماء ، والتي يصاحبها توزيع موحد لجزيئات المادة العضوية في جميع أنحاء حجم السائل.
تتيح التجارب اكتشاف الانتشار ليس فقط في السوائل ، ولكن أيضًا في المواد الغازية. على سبيل المثال ، يمكنك تثبيت وعاء به بخار الأثير على الميزان. تدريجيًا ، ستتوازن الكؤوس ، ثم يصبح كوب الأثير أثقل. ما سبب هذه الظاهرة؟
بمرور الوقت ، تختلط جزيئات الأثير بجزيئات الهواء ، وتبدأ رائحة معينة في الشعور في الغرفة. في مقرر الفيزياء بالمدرسة الثانوية ، تعتبر تجربة يقوم فيها المعلم بإذابة حبة برمنجنات البوتاسيوم (برمنجنات البوتاسيوم) في الماء. في البداية ، يمكن رؤية مسار واضح لحركة الحبوب ،لكن تدريجياً يكتسب الحل بأكمله ظلًا موحدًا. بناءً على التجربة ، يشرح المعلم ميزات الانتشار.
لتحديد العوامل التي تؤثر على سرعة العملية في السوائل ، يمكنك استخدام الماء بدرجات حرارة مختلفة. في السائل الساخن ، تتم ملاحظة عملية الخلط المتبادل للجزيئات بشكل أسرع بكثير ، وبالتالي ، هناك علاقة مباشرة بين قيمة درجة الحرارة ومعدل الانتشار.
الخلاصة
التجارب التي أجريت على الغازات والسوائل والمواد الصلبة تجعل من الممكن صياغة قوانين الفيزياء ، وإنشاء العلاقة بين الكميات الفردية.
نتيجة للتجارب تم إنشاء آلية الاختراق المتبادل لجزيئات مادة إلى أخرى ، وتم إثبات الطبيعة الفوضوية لحركتها. من الناحية التجريبية ، وجد أن الانتشار يحدث بشكل أسرع في المواد الغازية. هذه العملية ذات أهمية كبيرة للحياة البرية ، وتستخدم في العلوم والتكنولوجيا.
بفضل هذه الظاهرة ، يتم الحفاظ على التركيب المتجانس للغلاف الجوي للأرض. خلاف ذلك ، يمكن ملاحظة التقسيم الطبقي لطبقة التروبوسفير إلى مواد غازية منفصلة ، وثاني أكسيد الكربون الثقيل ، غير المناسب للتنفس ، سيكون الأقرب إلى سطح كوكبنا. إلى ماذا سيؤدي ذلك؟ ستنتهي الحياة البرية من الوجود.
دور الانتشار في عالم النبات عظيم أيضًا. يمكن تفسير التاج الخصب للأشجار من خلال تبادل الانتشار عبر سطح الأوراق. نتيجة لذلك ، لا يتم التنفس فقط ، ولكن أيضًا تغذية الشجرة. حاليا في الزراعةتستخدم التغذية الورقية للشجيرات والأشجار والتي تتضمن رش التاج بمركبات كيميائية خاصة.
خلال الانتشار يتلقى النبات العناصر الغذائية من التربة. ترتبط العمليات الفسيولوجية التي تحدث في الكائنات الحية أيضًا بهذه الظاهرة. على سبيل المثال ، توازن الملح مستحيل بدون انتشار. هذه العمليات لها أهمية كبيرة في إمداد البحيرات والأنهار بالأكسجين. يدخل الغاز إلى أعماق الخزان عن طريق الانتشار. إذا غابت مثل هذه العملية ، فإن الحياة داخل الخزان ستنتهي من الوجود.
إن تناول الأدوية التي تسمح للشخص بحماية نفسه من مسببات الأمراض المختلفة وتحسين الرفاهية يعتمد أيضًا على الانتشار. تستخدم هذه الظاهرة في لحام المعادن ، وإنتاج عصير السكر من رقائق البنجر ، وتحضير الحلويات. من الصعب العثور على مثل هذا الفرع من الصناعة الحديثة حيث لا يتم استخدام الانتشار.
