בוא נתחיל מזה שהנוזל הוא מצב ביניים של צבירה. בנקודת הרתיחה הקריטית הוא דומה לגזים, ובטמפרטורות נמוכות מופיעים מאפיינים הדומים למוצק. לנוזל אין מודל אידיאלי, מה שמסבך באופן משמעותי את תיאור המאפיינים התרמודינמיים של שיווי המשקל שלו, נקודת הקפאה, צמיגות, דיפוזיה, מוליכות תרמית, מתח פני השטח, אנטרופיה, אנטלפיה.
הגדרה
מהי דיפוזיה? זוהי התפשטות, חלוקה, תנועה של חלקיקי התווך, מה שמוביל להעברת החומר, להקמת ריכוזי שיווי משקל. בהיעדר השפעות חיצוניות, תהליך זה נקבע על ידי התנועה התרמית של החלקיקים. במקרה זה, תהליך הדיפוזיה עומד ביחס ישר לריכוז. שטף הדיפוזיה ישתנה בדומה לשיפוע הריכוז.
זנים
אם הדיפוזיה בנוזל ממשיכה עם שינוי בטמפרטורה, היא נקראת דיפוזיה תרמית, בשדה חשמלי - אלקטרודיפוזיציה.
תהליך התנועה של חלקיקים גדולים בנוזל או בגז מתרחש מתחתחוקי התנועה הבראונית.
תכונות של זרימה
הפיזור בגזים, נוזלים ומוצקים ממשיך במהירויות שונות. בשל הבדלים באופי התנועה התרמית של חלקיקים במדיות שונות, לתהליך יש את המהירות המקסימלית בגזים, ואת הקצב המינימלי - במוצקים.
מסלול החלקיק הוא קו שבור, מכיוון שהכיוון והמהירות משתנים מעת לעת. עקב התנועה המשובשת, נצפה בהסרה הדרגתית של החלקיק מיקומו המקורי. התזוזה שלו לאורך קו ישר קצרה בהרבה מהנתיב המתרחש לאורך שביל שבור.
חוק פיקס
דיפוזיה בנוזל מצייתת לשני חוקי פיק:
- צפיפות שטף הדיפוזיה עומדת ביחס ישר לריכוז עם מקדם דיפוזיה;
- קצב השינוי בצפיפות שטף הדיפוזיה עומד ביחס ישר לקצב השינוי בריכוז ובעל כיוון הפוך.
דיפוזיה בנוזל מאופיינת בקפיצות של מולקולות ממיקום שיווי משקל אחד לאחר. כל קפיצה כזו נצפית כאשר מועברת אנרגיה למולקולה בנפח מספיק כדי לשבור את הקשר עם חלקיקים אחרים. הקפיצה הממוצעת אינה חורגת מהמרחק בין מולקולות.
כשדנים מהי דיפוזיה בנוזל, נציין שהתהליך תלוי בטמפרטורה. עם עלייתו מתרחשת "התרופפות" המבנה הנוזלי, וכתוצאה מכך חלה עלייה חדה במספר הקפיצות ליחידת זמן.
לפיפוזיה בגזים, נוזלים ומוצקים יש כמה מאפיינים ייחודיים. לדוגמה, במוצקים, המנגנון קשור לתנועה של אטומים בתוך סריג הגביש.
תכונות של התופעה
דיפוזיה בנוזל היא בעלת עניין מעשי בשל העובדה שהיא מלווה בהשוואה של ריכוז החומר בתווך לא הומוגני בתחילה. חלקיקים רבים יותר בורחים מאזורים עם ריכוז גבוה.
ניסויים
ניסויים עם נוזלים הראו שלדיפוזיה יש חשיבות מיוחדת בקינטיקה כימית. במהלך תהליך כימי על פני השטח של מגיבים או זרז, תהליך זה תורם לקביעת קצב ההסרה של תוצרי תגובה והוספת ריאגנטים ראשוניים.
מה מסביר דיפוזיה בנוזלים? מולקולות ממס מסוגלות לחדור דרך ממברנות שקופות, וכתוצאה מכך לחץ אוסמוטי. תופעה זו מצאה יישום בשיטות כימיות ופיזיקליות להפרדת חומרים.
מערכות ביולוגיות
במקרה זה, ניתן לשקול מודלים של דיפוזיה על דוגמה של חדירת חמצן באוויר לריאות, ספיגת מוצרי עיכול מהמעי לדם, ספיגת יסודות מינרליים על ידי שערות שורש. פיזור של יונים מתרחש במהלך יצירת דחפים ביו-אלקטריים על ידי תאי שריר ועצב.
גורם פיזי שמשפיעהסלקטיביות של הצטברות בתאי הגוף של יסודות מסוימים, היא קצב חדירתם השונה של יונים דרך ממברנות התא. תהליך זה יכול לבוא לידי ביטוי על ידי חוק פיק, המחליף את הערך של מקדם הדיפוזיה בחדירות הממברנה, ובמקום שיפוע הריכוז, השתמש בהפרש הערכים משני צידי הממברנה. עם חדירת דיפוזיה של מים וגזים לתוך התא, מחווני הלחץ האוסמוטי מחוץ לתא ובתוכו משתנים.
בניתוח במה תלויה הדיפוזיה, נציין שיש כמה סוגים של תהליך זה. הצורה הפשוטה קשורה למעבר חופשי של יונים ומולקולות לעבר שיפוע הפוטנציאל האלקטרוכימי שלהם. לדוגמה, אפשרות זו מתאימה לאותם חומרים שבהם המולקולות בגודל קטן, למשל, מתיל אלכוהול, מים.
וריאציה מוגבלת מניחה העברה חלשה של חומר. לדוגמה, אפילו חלקיקים קטנים אינם יכולים לחדור לתוך תא.
דפי היסטוריה
דיפוזיה התגלתה בתקופת הזוהר של התרבות היוונית העתיקה. דמוקריטוס ואנאקסוגורס היו משוכנעים שכל חומר מורכב מאטומים. הם הסבירו את מגוון החומרים הנפוצים בטבע על ידי הקשרים בין אטומים בודדים. הם הניחו שחלקיקים אלה יכולים להתערבב וליצור חומרים חדשים. בין מייסדי התיאוריה המולקולרית-קינטית, שהסבירה את מנגנון הדיפוזיה, מיכאיל לומונוסוב מילא תפקיד מיוחד. הם נתנו הגדרה למולקולה, לאטום, והסבירו את מנגנון הפירוק.
ניסויים
ניסיון עם סוכר מאפשר לך להבין את כל תכונות הדיפוזיה. אם תשימו חתיכת סוכר בתה קר, ייווצר בהדרגה סירופ סמיך בתחתית הספל. זה גלוי לעין בלתי מזוינת. לאחר זמן מה, הסירופ יתפזר באופן שווה בכל נפח הנוזל ולא ייראה עוד. תהליך זה מתרחש באופן ספונטני ואינו כרוך בערבוב מרכיבי התמיסה. באופן דומה, ניחוח הבושם מתפשט בכל החדר.
הניסויים שלעיל מראים שדיפוזיה היא תהליך ספונטני של חדירה של מולקולות של חומר אחד לתוך אחר. התפשטות החומר מתרחשת לכל הכיוונים, למרות נוכחות כוח הכבידה. תהליך כזה הוא אישור ישיר לתנועה המתמדת של מולקולות החומר.
לפיכך, בדוגמה לעיל, מתבצעת דיפוזיה של מולקולות סוכר ומים, המלווה בפיזור אחיד של מולקולות החומר האורגני בכל נפח הנוזל.
ניסויים מאפשרים לזהות דיפוזיה לא רק בנוזלים, אלא גם בחומרים גזים. לדוגמה, אתה יכול להתקין מיכל עם אדי אתר על המאזניים. בהדרגה, הכוסות יגיעו לאיזון, ואז כוס האתר תהיה כבדה יותר. מה הסיבה לתופעה זו?
עם הזמן, מולקולות האתר מתערבבות עם חלקיקי אוויר, ומתחיל להרגיש ריח ספציפי בחדר. בקורס פיזיקה בתיכון נחשב ניסוי בו מורה ממיס גרגר אשלגן פרמנגנט (אשלגן פרמנגנט) במים. בהתחלה נראה מסלול ברור של תנועת גרגרים,אבל בהדרגה כל הפתרון מקבל גוון אחיד. בהתבסס על הניסוי, המורה מסביר את תכונות הדיפוזיה.
כדי לזהות גורמים המשפיעים על מהירות התהליך בנוזלים, ניתן להשתמש במים בטמפרטורות שונות. בנוזל חם, תהליך הערבוב ההדדי של מולקולות נצפה הרבה יותר מהר, לכן יש קשר ישיר בין ערך הטמפרטורה לקצב הדיפוזיה.
מסקנה
ניסויים שנערכו עם גזים, נוזלים ומוצקים מאפשרים לנסח את חוקי הפיזיקה, לבסס את הקשר בין כמויות בודדות.
כתוצאה מהניסויים התבסס מנגנון החדירה ההדדית של חלקיקים של חומר אחד למשנהו, הוכח האופי הכאוטי של תנועתם. מבחינה אמפירית, נמצא שדיפוזיה מתרחשת הכי מהר בחומרים גזים. לתהליך זה חשיבות רבה עבור חיות הבר, נעשה בו שימוש במדע ובטכנולוגיה.
הודות לתופעה זו, ההרכב ההומוגני של האטמוספירה של כדור הארץ נשמר. אחרת, הריבוד של הטרופוספירה לחומרים גזים נפרדים היה נצפה, ופחמן דו חמצני כבד, שאינו מתאים לנשימה, יהיה הקרוב ביותר לפני השטח של הפלנטה שלנו. למה זה יוביל? חיות הבר פשוט יפסיקו להתקיים.
תפקיד הדיפוזיה בעולם הצומח גדול גם הוא. ניתן להסביר את הכתר השופע של העצים על ידי חילופי דיפוזיה דרך פני העלים. כתוצאה מכך, לא רק הנשימה מתבצעת, אלא גם התזונה של העץ. כיום בחקלאותנעשה שימוש בהזנת עלים של שיחים ועצים, הכוללת ריסוס הכתר בתרכובות כימיות מיוחדות.
בזמן דיפוזיה הצמח מקבל חומרי הזנה מהאדמה. תהליכים פיזיולוגיים המתרחשים באורגניזמים חיים קשורים גם הם לתופעה זו. לדוגמה, איזון מלחים בלתי אפשרי ללא דיפוזיה. לתהליכים כאלה חשיבות רבה באספקת חמצן לאגמים ולנהרות. הגז נכנס לעומק המאגר בדיוק על ידי דיפוזיה. אם תהליך כזה היה נעדר, החיים בתוך המאגר היו מפסיקים להתקיים.
הצריכה של תרופות המאפשרות לאדם להגן על עצמו מפני פתוגנים של מחלות שונות ולשפר את הרווחה מבוססת גם היא על דיפוזיה. תופעה זו משמשת בריתוך מתכות, ייצור מיץ סוכר מצ'יפס סלק והכנת ממתקים. קשה למצוא ענף כזה של התעשייה המודרנית שבו לא נעשה שימוש בדיפוזיה.
