انتشار در جامدات، مایعات و گازها: تعریف، شرایط

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 05:24

در میان پدیده های متعدد در فیزیک، فرآیند انتشار یکی از ساده ترین و قابل درک ترین است. از این گذشته ، هر روز صبح با تهیه چای یا قهوه معطر ، فرد این فرصت را دارد که این واکنش را در عمل مشاهده کند. بیایید در مورد این فرآیند و شرایط وقوع آن در حالت های مختلف بیشتر بدانیم.

انتشار چیست

این کلمه به نفوذ مولکول ها یا اتم های یک ماده بین واحدهای ساختاری مشابه ماده دیگر اشاره دارد. در این حالت غلظت ترکیبات نافذ یکسان می شود.

این فرآیند برای اولین بار توسط دانشمند آلمانی آدولف فیک در سال 1855 به تفصیل شرح داده شد

نام این اصطلاح از اسم فعل لاتین diffusio (تعامل، پراکندگی، توزیع) تشکیل شده است.

انتشار در مایع

فرایند مورد بررسی می تواند با مواد در هر سه حالت تجمع رخ دهد: گاز، مایع و جامد. برای مثال های عملی از این، فقط نگاه کنیدآشپزخانه.

گل گاوزبان اجاق گاز یکی از آنهاست. تحت تأثیر دما، مولکول‌های گلوکوزین بتانین (ماده‌ای که به دلیل آن چغندرها چنین رنگ مایل به قرمز غنی دارند) به طور مساوی با مولکول‌های آب واکنش می‌دهند و رنگ شرابی منحصر به فردی به آن می‌دهند. این مورد نمونه ای از انتشار در مایعات است.

علاوه بر گل گاوزبان، این فرآیند را می توان در یک لیوان چای یا قهوه نیز مشاهده کرد. هر دوی این نوشیدنی ها به دلیل این واقعیت که برگ های چای یا ذرات قهوه که در آب حل می شوند، به طور مساوی بین مولکول های آن پخش می شوند و آن را رنگ می کنند، دارای سایه غنی یکنواختی هستند. عملکرد تمام نوشیدنی های فوری محبوب دهه نود بر اساس یک اصل ساخته شده است: Yupi، Invite، Zuko.

نفوذ گازها

در ادامه جستجوی بیشتر برای تظاهرات فرآیند مورد بحث در آشپزخانه، ارزش آن را دارد که از عطر دلپذیری که از یک دسته گل تازه بر روی میز ناهار خوری ناشی می شود لذت ببرید. چرا این اتفاق می افتد؟

اتم ها و مولکول های حامل بو در حرکت فعال هستند و در نتیجه با ذرات موجود در هوا مخلوط می شوند و به طور نسبتاً مساوی در حجم اتاق پراکنده می شوند.

این تظاهراتی از انتشار در گازها است. شایان ذکر است که نفس استنشاق هوا نیز مربوط به فرآیند مورد بررسی است و همچنین بوی اشتها آور گل گاوزبان تازه پخته شده در آشپزخانه.

انتشار در جامدات

میز آشپزخانه با گل با رومیزی زرد روشن پوشیده شده است. او به لطف سایه مشابهی دریافت کردتوانایی انتشار برای عبور از جامدات.

فرایند دادن سایه یکنواخت به بوم در چند مرحله به شرح زیر انجام می شود.

ذرات رنگدانه زرد در مخزن جوهر به سمت مواد فیبری پخش شده است.
سپس توسط سطح بیرونی پارچه رنگ شده جذب شدند.
مرحله بعدی دوباره پخش کردن رنگ بود، اما این بار در الیاف وب.
در پایان، پارچه ذرات رنگدانه را ثابت کرد، بنابراین رنگی شد.

انتشار گازها در فلزات

معمولاً در مورد این فرآیند، برهمکنش مواد را در همان حالت تجمع در نظر بگیرید. به عنوان مثال، انتشار در جامدات، جامدات. برای اثبات این پدیده آزمایشی با دو صفحه فلزی فشرده روی هم (طلا و سرب) انجام می شود. نفوذ متقابل مولکول های آنها زمان بسیار طولانی (یک میلی متر در پنج سال) طول می کشد. این فرآیند برای ساخت جواهرات غیر معمول استفاده می شود.

با این حال، ترکیبات در حالت های مختلف تجمع نیز قادر به انتشار هستند. برای مثال، انتشار گازها در جامدات وجود دارد.

در طول آزمایش ها ثابت شد که چنین فرآیندی در حالت اتمی انجام می شود. برای فعال کردن آن، معمولاً به افزایش قابل توجه دما و فشار نیاز دارید.

یک مثال از این انتشار گازی در جامدات خوردگی هیدروژنی است. خود را در موقعیت هایی نشان می دهد کهاتم های هیدروژن (Н₂) که در جریان برخی واکنش های شیمیایی تحت تأثیر دمای بالا (از 200 تا 650 درجه سانتیگراد) به وجود آمده اند، بین ذرات ساختاری فلز نفوذ می کنند.

علاوه بر هیدروژن، انتشار اکسیژن و سایر گازها در جامدات نیز می تواند رخ دهد. این فرآیند که برای چشم غیرقابل مشاهده است، آسیب زیادی می‌زند، زیرا سازه‌های فلزی می‌توانند به دلیل آن فرو بریزند.

انتشار مایعات در فلزات

با این حال، نه تنها مولکول های گاز می توانند به جامدات نفوذ کنند، بلکه به مایعات نیز نفوذ می کنند. همانطور که در مورد هیدروژن، اغلب این فرآیند منجر به خوردگی می شود (در مورد فلزات).

یک مثال کلاسیک از انتشار مایع در جامدات، خوردگی فلزات تحت تأثیر آب (H₂O) یا محلول های الکترولیت است. برای اکثر افراد، این فرآیند با نام زنگ زدگی آشناتر است. برخلاف خوردگی هیدروژنی، در عمل باید بیشتر با آن مواجه شد.

شرایط برای تسریع انتشار. ضریب انتشار

پس از پرداختن به موادی که فرآیند مورد بررسی می تواند در آنها رخ دهد، ارزش یادگیری در مورد شرایط وقوع آن را دارد.

اول از همه، سرعت انتشار به حالت تجمعی مواد برهم کنش بستگی دارد. هر چه چگالی ماده ای که واکنش در آن رخ می دهد بیشتر باشد، سرعت آن کندتر است.

در این رابطه، انتشار در مایعات و گازها همیشه فعالتر از جامدات خواهد بود.

برای مثال، اگر کریستال هاپرمنگنات پتاسیم KMnO_{4 (}پرمنگنات پتاسیم₎ در آب بریزید، رنگ تمشکی زیبایی به آن می دهند در چند دقیقه رنگی با این حال، اگر کریستال های KMnO₄ را روی یک تکه یخ بپاشید و همه آن را در فریزر بگذارید، پس از چند ساعت، پرمنگنات پتاسیم قادر به رنگ آمیزی کامل H یخ زده نیستید ₂O.

از مثال قبلی، یک نتیجه دیگر در مورد شرایط انتشار می توان گرفت. دما علاوه بر حالت تجمع، بر میزان نفوذ ذرات نیز تأثیر می گذارد.

برای در نظر گرفتن وابستگی فرآیند مورد بررسی به آن، ارزش یادگیری در مورد مفهومی مانند ضریب انتشار را دارد. این نام مشخصه کمی سرعت آن است.

در اکثر فرمول ها، با حرف لاتین بزرگ D نشان داده می شود و در سیستم SI بر حسب متر مربع در ثانیه (m² / s)، گاهی اوقات به سانتی متر در ثانیه (cm^{2) اندازه گیری می شود.} /m).

ضریب انتشار برابر با مقدار ماده پراکنده شده در یک واحد سطح در یک واحد زمان است، مشروط بر اینکه اختلاف چگالی در هر دو سطح (که در فاصله ای برابر با طول واحد قرار دارد) برابر با یک باشد. معیارهایی که D را تعیین می‌کنند، ویژگی‌های ماده‌ای است که خود فرآیند پراکندگی ذرات در آن انجام می‌شود و نوع آن‌ها.

وابستگی ضریب به دما را می توان با استفاده از معادله آرنیوس توصیف کرد: D=D_0exp(-E/TR).

در فرمول در نظر گرفته شده E حداقل انرژی مورد نیاز برای فعال کردن فرآیند است. T - دما (اندازه گیری شده بر حسب کلوین، نه سانتیگراد). R-مشخصه ثابت گاز یک گاز ایده آل.

علاوه بر همه موارد فوق، سرعت انتشار در جامدات، مایعات در گازها تحت تأثیر فشار و تشعشع (القایی یا با فرکانس بالا) قرار می گیرد. علاوه بر این، مقدار زیادی به وجود یک ماده کاتالیزوری بستگی دارد، اغلب به عنوان یک محرک برای شروع پراکندگی فعال ذرات عمل می کند.

معادله انتشار

این پدیده شکل خاصی از معادله دیفرانسیل جزئی است.

هدف آن یافتن وابستگی غلظت یک ماده به اندازه و مختصات فضایی (که در آن پخش می شود) و همچنین زمان است. در این مورد، ضریب داده شده، نفوذپذیری محیط برای واکنش را مشخص می کند.