בין שלל התופעות בפיזיקה, תהליך הדיפוזיה הוא אחד הפשוטים והמובנים ביותר. אחרי הכל, כל בוקר, מכין לעצמו תה או קפה ריחני, לאדם יש הזדמנות להתבונן בתגובה זו בפועל. בואו ללמוד עוד על תהליך זה ועל התנאים להתרחשותו במצבי צבירה שונים.
מהי דיפוזיה
מילה זו מתייחסת לחדירה של מולקולות או אטומים של חומר אחד בין יחידות מבניות דומות של חומר אחר. במקרה זה, ריכוז התרכובות החודרות מפולס.
תהליך זה תואר לראשונה בפירוט על ידי המדען הגרמני אדולף פיק בשנת 1855
שם המונח הזה נוצר מהשם המילולי הלטיני diffusio (אינטראקציה, פיזור, הפצה).
דיפוזיה בנוזל
התהליך הנדון יכול להתרחש עם חומרים בכל שלושת מצבי הצבירה: גזי, נוזלי ומוצק. לדוגמאות מעשיות לכך, פשוט תסתכלמטבח.
בורשט מבושל בתנור הוא אחד מהם. בהשפעת הטמפרטורה, המולקולות של גלוקוזין בטנין (חומר שבזכותו לסלק יש צבע ארגמן כה עשיר) מגיבות באופן שווה עם מולקולות מים, ומעניקות לו גוון בורדו ייחודי. מקרה זה הוא דוגמה לדיפוזיה בנוזלים.
בנוסף לבורשט, ניתן לראות תהליך זה גם בכוס תה או קפה. לשני המשקאות הללו יש גוון עשיר כל כך, בשל העובדה שעלי תה או חלקיקי קפה, הנמסים במים, מתפזרים באופן שווה בין המולקולות שלו, צובעים אותו. הפעולה של כל המשקאות הנמסים הפופולריים של שנות התשעים בנויה על אותו עיקרון: Yupi, Invite, Zuko.
חדירת גזים
ממשיכים לחפש עוד ביטויים של התהליך המדובר במטבח, כדאי לרחרח וליהנות מהארומה הנעימה הבוקעת מזר פרחים טריים על שולחן האוכל. למה זה קורה?
אטומים ומולקולות נושאי ריח נמצאים בתנועה פעילה וכתוצאה מכך, מעורבבים עם חלקיקים שכבר נמצאים באוויר, ומפוזרים באופן שווה למדי בנפח החדר.
זהו ביטוי של דיפוזיה בגזים. ראוי לציין שגם עצם שאיפת האוויר שייכת לתהליך הנדון, כמו גם הריח המעורר תיאבון של בורשט מבושל טרי במטבח.
דיפוזיה במוצקים
שולחן המטבח עם הפרחים מכוסה במפה צהובה בוהקת. היא קיבלה גוון דומה בזכותיכולת הדיפוזיה לעבור דרך מוצקים.
תהליך הענקת גוון אחיד לקנבס מתרחש במספר שלבים כדלקמן.
- חלקיקי פיגמנט צהוב התפזרו במיכל הדיו לעבר החומר הסיבי.
- לאחר מכן הם נספגו במשטח החיצוני של הבד הצבוע.
- השלב הבא היה שוב לפזר את הצבע, אבל הפעם לתוך סיבי הרשת.
- בגמר, הבד קיבע את חלקיקי הפיגמנט, וכך הפך לצבעוני.
דיפוזיה של גזים במתכות
בדרך כלל, אם מדברים על תהליך זה, שקול את האינטראקציה של חומרים באותו מצב צבירה. למשל, דיפוזיה במוצקים, מוצקים. כדי להוכיח תופעה זו, מבוצע ניסוי עם שתי לוחות מתכת נלחצים זו בזו (זהב ועופרת). החדירה ההדדית של המולקולות שלהם אורכת זמן רב למדי (מילימטר בחמש שנים). תהליך זה משמש לייצור תכשיטים יוצאי דופן.
עם זאת, תרכובות במצבי צבירה שונים מסוגלות גם להתפזר. לדוגמה, יש דיפוזיה של גזים במוצקים.
במהלך הניסויים הוכח שתהליך כזה מתרחש במצב האטומי. כדי להפעיל אותו, ככלל, אתה צריך עלייה משמעותית בטמפרטורה ובלחץ.
דוגמה לדיפוזיה גזית כזו במוצקים היא קורוזיה מימן. זה מתבטא במצבים שבהםאטומי מימן (Н2) שנוצרו במהלך תגובה כימית כלשהי בהשפעת טמפרטורות גבוהות (מ-200 עד 650 מעלות צלזיוס) חודרים בין החלקיקים המבניים של המתכת.
בנוסף למימן, דיפוזיה של חמצן וגזים אחרים יכולה להתרחש גם במוצקים. תהליך זה, שאינו מורגש לעין, גורם נזק רב, כי מבני מתכת עלולים להתמוטט בגללו.
דיפוזיה של נוזלים במתכות
עם זאת, לא רק מולקולות גז יכולות לחדור למוצקים, אלא גם נוזלים. כמו במקרה של מימן, לרוב תהליך זה מוביל לקורוזיה (כשמדובר למתכות).
דוגמה קלאסית של דיפוזיה נוזלית במוצקים היא קורוזיה של מתכות בהשפעת מים (H2O) או תמיסות אלקטרוליטים. עבור רוב, תהליך זה מוכר יותר תחת השם של חלודה. בניגוד לקורוזיה מימן, בפועל יש להיתקל בה לעתים קרובות הרבה יותר.
תנאים להאצת דיפוזיה. מקדם פיזור
לאחר שעסקתי בחומרים שבהם התהליך הנדון יכול להתרחש, כדאי ללמוד על התנאים להתרחשותו.
קודם כל, מהירות הדיפוזיה תלויה במצב המצטבר של החומרים המקיימים אינטראקציה. ככל שצפיפות החומר בו מתרחשת התגובה גדולה יותר, כך קצבו איטי יותר.
בהקשר זה, דיפוזיה בנוזלים ובגזים תמיד תהיה פעילה יותר מאשר במוצקים.
לדוגמה, אם הקריסטליםאשלגן פרמנגנט KMnO4 (פוטסיום permanganate) לזרוק למים, הם יתנו לו צבע פטל יפה תוך כמה דקות צבע. עם זאת, אם מפזרים גבישים של KMnO4 על פיסת קרח ומכניסים הכל למקפיא, לאחר כמה שעות, אשלגן פרמנגנט לא ניתן לצבוע את ה-H הקפוא במלואו 2O.
מהדוגמה הקודמת, ניתן להסיק מסקנה נוספת לגבי תנאי הדיפוזיה. בנוסף למצב הצבירה, הטמפרטורה משפיעה גם על קצב החדירה ההדדית של חלקיקים.
כדי לשקול את התלות של התהליך הנדון בו, כדאי ללמוד על מושג כמו מקדם הדיפוזיה. זה השם של המאפיין הכמותי של מהירותו.
ברוב הנוסחאות, הוא מסומן באות לטינית גדולה D ובמערכת SI הוא נמדד במטרים רבועים לשנייה (m² / s), לפעמים בסנטימטרים לשנייה (cm2 /m).
מקדם הדיפוזיה שווה לכמות החומר המפוזר במשטח יחידה לאורך יחידת זמן, בתנאי שהפרש הצפיפות בשני המשטחים (הממוקמים במרחק שווה ליחידת אורך) שווה לאחד. הקריטריונים הקובעים את D הם תכונות החומר שבו מתרחש תהליך פיזור החלקיקים עצמו וסוגם.
ניתן לתאר את התלות של המקדם בטמפרטורה באמצעות משוואת Arrhenius: D=D0exp(-E/TR).
בנוסחה הנחשבת E היא האנרגיה המינימלית הנדרשת להפעלת התהליך; T - טמפרטורה (נמדדת בקלווין, לא בצלזיוס); ר-קבוע גז המאפיין גז אידיאלי.
בנוסף לכל האמור לעיל, קצב הדיפוזיה במוצקים, נוזלים בגזים מושפע מלחץ וקרינה (אינדוקטיבית או בתדר גבוה). בנוסף, הרבה תלוי בנוכחות של חומר קטליטי, לעתים קרובות הוא פועל כטריגר לתחילת פיזור פעיל של חלקיקים.
משוואת דיפוזיה
תופעה זו היא צורה מסוימת של המשוואה הדיפרנציאלית החלקית.
מטרתו היא למצוא את התלות של ריכוז החומר בגודל ובקואורדינטות של החלל (בו הוא מתפזר), וכן בזמן. במקרה זה, המקדם הנתון מאפיין את חדירות המדיום לתגובה.
לרוב, משוואת הדיפוזיה כתובה באופן הבא: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
בו φ (t ו-r) היא הצפיפות של החומר המפזר בנקודה r בזמן t. D (φ, r) - מקדם דיפוזיה כללי בצפיפות φ בנקודה r.
∇ - אופרטור דיפרנציאלי וקטור שמרכיביו הם נגזרות חלקיות בקואורדינטות.
כאשר מקדם הדיפוזיה תלוי בצפיפות, המשוואה אינה לינארית. כשלא - ליניארי.
לאחר שקלטתי את ההגדרה של דיפוזיה ואת התכונות של תהליך זה בסביבות שונות, ניתן לציין שיש לו צדדים חיוביים ושליליים כאחד.
