Мбоу - ліцей №55 - Потапова і
1.Поняття дифузії
2. Дифузія в газах і рідинах
3. Вплив температури речовини на дифузію
4. Явище дифузії в природі і її застосуванні в техніці
У своєму житті людина часто стикається з різними фізичними явищами. І часто навіть не замислюється про це. Одному з таких явищ, а саме дифузії, присвячений ця робота.
Говорячи науковою мовою, дифузія - це поширення молекул або атомів однієї речовини між молекулами або атомами іншого.
У повсякденному житті ми стикаємося з цим явищем, коли заварюємо чай, солимо їжу або використовуємо освіжувач повітря. Навіть в приказці це явище знайшло своє відображення. У фізичному сенсі приказка «Ложка дьогтю в бочці меду», говорить про те, що дьоготь - це смолиста рідка речовина, яке проникає в інше рідке речовина - мед і надає йому неприємний смак. Явище дифузії використовується всюди - в кулінарії, в медицині, в техніці, тому дуже важливо уявляти закономнрності цього явища.
Мета роботи: дослідити таке фізичне явище, як дифузія.
- вивчити фізичні основи дифузії;
- провести досвід, який доводить вплив температури на дифузію;
- описати роль дифузії в житті людини.
Гіпотеза: температура впливає на швидкість протікання дифузії.
Відповідно до сучасних уявлень, атоми і молекули, з яких складається речовина, знаходяться в безперервному хаотичному русі. Такий рух називається тепловим.
Тепловий рух неможливо побачити неозброєним оком, адже розміри молекул дуже малі.
Однак існує багато фізичних явищ, пояснити які можна тільки спираючись на той факт, що молекули постійно рухаються.
Безперечним доказом руху молекул служить фізичне явище. яке називається дифузія (від лат. diffusio - поширення, розтікання). Дифузією називають взаємне проникнення дотичних речовин один в одного, що відбувається в результаті теплового (хаотичного) руху молекул (атомів).
Так як частинки рухаються і в газах, і в рідинах, і в твердих тілах, то в цих речовинах можлива діффузія.Наіболее швидко дифузія відбувається в газах, повільніше в рідинах і найповільніше в твердих тілах.
Дифузія пояснюється так. Спочатку між двома тілами чітко видно межу розділу двох середовищ (мал.1а). Потім, внаслідок свого руху окремі частинки речовин, що знаходяться біля кордону, обмінюються місцями.
Кордон між речовинами розпливається (рис.1б). Проникнувши між частинками іншої речовини, частки першого починають обмінюватися місцями з частинками другого, що знаходяться у все більш глибоких шарах. Кордон розділу речовин стає ще більш розпливчастою. Завдяки безперервному і безладного руху частинок цей процес призводить врешті-решт до того, що речовина стає однорідним (рис.1в).
2. Дифузія в газах і рідинах
Всім добре відомо, що якщо в кімнату внести якесь пахуче речовина, наприклад духи або нафталін, то запах незабаром буде відчуватися у всій кімнаті. Поширення запахів відбувається через те, що молекулі духів (або нафталіну) рухаються.
Виникає питання, чому ж запах в кімнаті поширюється не миттєво, а через деякий час.
Справа в тому, що руху молекул пахучої речовини в певному напрямку заважає рух молекул повітря. Молекули духів (або нафталіну) на своєму шляху стикаються з молекулами газів, які входять до складу повітря. Вони постійно змінюють напрямок руху і, безладно переміщуючись, розлітаються по кімнаті. Це означає, що молекули ароматного речовини, рухаючись, потрапляють в проміжки між молекулами повітря, яким заповнена кімната, т. Е. Спостерігається дифузія. Саме в результаті дифузії в газах ми відчуваємо запахи: запах смачної їжі з їдальні або запах прогрітій літнім сонцем трави.
Дифузію можна спостерігати і в рідинах. Але в рідких речовинах подібні процеси протікають значно медленнее.Взаімопронікновеніе двох різнорідних рідин один в одного, розчинення твердих речовин в рідинах (наприклад, цукру в воді) та освіту однорідних розчинів - приклади дифузійних процесів в рідинах. Численні досліди свідчать, що дифузія в рідинах протікає значно повільніше, ніж в газах.
Ще повільніше відбувається дифузія в твердих тілах. Це відбувається через особливості розташування молекул газів, рідин і твердих тіл.
3.Вліяніе температури речовини на дифузію
Досить складні експерименти показують, що при будь-якій температурі в речовині є молекули, що рухаються досить повільно, і молекули, швидкість яких висока. Якщо кількість молекул речовини, що мають високу швидкість, збільшується, т. Е. Збільшується середня швидкість молекул, то це означає, що температура речовини також збільшується.
Звернемося до досвіду, координує проводив кожен з нас. У двох склянках налита вода, але в одному холодна, а в іншому - гаряча. Опустимо одночасно в стакани пакетики з чаєм. Неважко помітити, що в гарячій воді чай швидше забарвлює воду, дифузія протікає швидше. Чим гаряче вода, тим швидше вона придбає характерний колір і запах. Це наочне підтвердження того, що температура впливає на дифузію. Швидкість дифузії збільшується з ростом температури, так як молекули взаємодіють тел починають рухатися швидше.
У разі підвищення температури швидкість дифузії в газах також збільшується.
Залежність швидкості дифузії від температури особливо помітна для твердих тіл. Так, англійський металург Вільям Роберт Остін провів наступний досвід. Він наплаву тонкий диск золота на свинцевий циліндр і на кілька днів помістив цей циліндр в піч, де підтримувалася температура близько 400 ° С. Виявилося, що золото продіффундіровало через весь циліндр; тим часом при кімнатній температурі дифузія в металах практично не спостерігалася.
Для спостереження за процесом дифузії можна використовувати прозору ємність з водою і барвник. Якщо капнути у воду рідкий барвник, кольорові краплі будуть поступово розпливатися в воді. А через кілька годин розчин придбає однорідний колір.
Для вивчення дифузії і впливу температури на неї був проведений наступний досвід.
1. У колбу налили чисту воду.
2. У склянці з теплою водою розчинили жовтий, помаранчевий барвник.
3. За допомогою піпетки в колбу повільно капнули кілька крапель жовтого кольору.
В результаті дифузії вода і барвник змішалися і розчин в колбі став жовтим
4. У склянці з холодною водою розчинили синій барвник, а в колбу з жовтим розчином додали лід.
5. За допомогою піпетки капнули в колбу воду синього кольору.
При змішуванні жовтого і синього кольорів, вода забарвилася в зелений. Що наочно показує нам дію дифузії на практиці. При цьому фарбування води в жовтий колір за допомогою теплого розчину відбувалося швидше, ніж змішування жовтого і синього розчинів.
Для спостереження за процесом дифузії в твердому речовині був використаний кусечек цукру і рідкий крісітель. На поверхню шматочка цукру капнули барвником. Спочатку забарвилося тільки те місце, куди потрапила крапля. Але поступово барвник проник в речовину, і пофарбованої виявилася значна частина цукру.
Таким чином, ми з'ясували, що чим вище температура речовини. тим швидше відбувається дифузія, т. к. молекули швидше рухаються.
4. Явище дифузії в природі і її застосуванні в техніці
Явище дифузії широко використовується і на практиці. У повсякденному житті - заварка чаю, консервування овочів, виготовлення варений. Явище дифузії дуже поширене в природі. Завдяки дифузії вуглекислий газ потрапляє в листя рослин; поживні речовини вбираються в кишечнику; кисень з легенів потрапляє в кров, а з крові - в тканини і т. д.Большую роль відіграють дифузійні процеси в постачанні природних водойм та акваріумів киснем. Кисень потрапляє в більш глибокі шари води в стоячих водах за рахунок дифузії через їх вільну поверхню. Тому небажані будь-які обмеження вільної поверхні води. Так, наприклад, листя або ряска, що покривають поверхню води, можуть зовсім припинити доступ кисню до води і привести до загибелі її мешканців. З цієї ж причини судини з вузьким горлом непридатні для використання в якості акваріума.
Дифузію широко застосовують в техніці. На явищі дифузії заснована дифузійна зварювання металів. Метод дифузійної зварювання дозволяє з'єднувати між собою метали, неметали, метали і неметали, пластмаси. Деталі поміщають в закриту зварювальну камеру з сильно розрядженим повітрям, здавлюють і нагрівають до 800 градусів. При цьому відбувається інтенсивна взаємна дифузія атомів в поверхневих шарах контактуючих матеріалів. Дифузійне зварювання застосовується в основному в електронній і напівпровідникової промисловості, точному машинобудуванні.
Для добування розчинних речовин з твердого подрібненого матеріалу застосовують дифузійний апарат. Такі апарати поширені, головним чином, в цукробуряковому виробництві, де їх використовують для отримання цукрового соку з бурякової стружки, що нагрівається разом з водою.
На явищі дифузії заснований процес металізації - покриття поверхні виробу шаром металу або сплаву для повідомлення їй фізичних, хімічних і механічних властивостей, відмінних від властивостей металізуюча матеріалу. Застосовується для захисту виробів від корозії, зносу, підвищення контактної електричної провідності, в декоративних цілячи. Для підвищення твердості і жаростійкості сталевих деталей застосовують цементацію. Вона полягає в тому, що сталеві деталі поміщають в ящик з графітовим порошком, який встановлюють в термічній печі. Атоми вуглецю внаслідок дифузії проникають в поверхневий шар деталей. Глибина проникнення залежить від температури і часу витримки деталей в термічній печі.
На жаль, необхідно відзначити і шкідливі прояви цього явища. Димові труби підприємств викидають в атмосферу вуглекислий газ, шкідливі речовини. В даний час загальна кількість викидів газів в атмосферу перевищує 40 мільярдів тонн на рік. Надлишок вуглекислого газу в атмосфері небезпечний для живого світу Землі, порушує круговорот вуглецю в природі, призводить до утворення кислотних дощів. Процес дифузії відіграє велику роль в забрудненні річок, морів і океанів. Річний скидання виробничих і побутових стоків в світі дорівнює приблизно 10 трильйонів тонн.
Таким чином, значення дифузії в неживій природі дуже велике, а існування живих організмів було б неможливо, якби не було цього явища. На жаль, доводиться боротися з негативним проявом цього явища, але позитивних факторів набагато більше і тому ми говоримо про величезне значення дифузії в природі.
Вивчивши явище дифузії, можна зробити висновок, що дифузія - фундаментальне явище природи. Його прояви мають місце на всіх рівнях організації природних систем на нашій планеті, починаючи з рівня елементарних частинок, атомів і молекул, і закінчуючи геосферою. Воно широко використовується в техніці, в повсякденному житті. А так же проявляється у багатьох природних явищах.
Дослідження дифузії допомагає краще зрозуміти явища, з якими ми стикаємося щодня. Поширення запахів - наочний приклад дифузії в газах. А заварювання чаю, приготування розсолу для овочів приклад дифузії в рідинах.
В результаті проведених експериментів наочно видно, що чим вище температура розчину, тим швидше відбувається дифузія.
Все це допомагає краще розібратися в оточуючих нас фізичних процесах і їх практичне застосування.