От чего зависит скорость диффузии в жидкостях. Диффузия в твердых телах, жидкостях и газах: определение, условия. Задача Григория Остера
Зависимость скорости диффузии молекул от температуры вещества Зависимость скорости диффузии молекул от температуры вещества Автор проекта: Карапузов Максим, ученик 7 класса Автор проекта: Карапузов Максим, ученик 7 класса МБОУ «СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА 40» БЕЛГОРОДСКОГО РАЙОНА г.СТАРЫЙ ОСКОЛ Руководитель: Гаврюшина Людмила Константиновна, учитель физики, учитель физики, МБОУ «СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА 40» БЕЛГОРОДСКОГО РАЙОНА г.СТАРЫЙ ОСКОЛ
Формулировка проблемы Почему вещества смешиваются? Почему вещества смешиваются? Какова роль диффузии в окружающем нас мире? Какова роль диффузии в окружающем нас мире? От чего зависит процесс протекания диффузии? От чего зависит процесс протекания диффузии?
Интерпретация результатов Диффузия – временной процесс. Продолжительность диффузии зависит от температуры и рода вещества: чем выше температура, тем быстрее протекает процесс диффузии. В результате проведенных опытов убедился в том, что выдвинутая мною гипотеза, нашла полное подтверждение. Действительно, с увеличением температуры диффузия молекул в жидкости будет происходить быстрее. Чем больше средняя скорость движения молекул тела, тем выше его температура
V Межрегиональные Мартыновские чтения
Направление- исследовательская работа
«В мире физико- математических наук»
ТАИНСТВЕННАЯ ДИФФУЗИЯ
Агеева Ульяна
Ученица 2 «А»
МБОУ-СОШ №1
р.п.Степное
Советского района
Руководитель:
Агеева Вероника Геннадиевна
ВВЕДЕНИЕ
Цель работы :
ü Рассмотреть явление диффузии
Задачи:
ü доказать, что диффузия зависит от температуры;
ü рассмотреть примеры диффузии в домашних опытах;
ü убедиться, что диффузия в разных веществах происходит по- разному.
Актуальность: ; диффузия имеет большое значение в жизни человека, животных и растений, а также в технике
Я очень люблю купаться с гелем для душа. А ещё я люблю задавать вопросы. И однажды я задумалась:
ü Почему гель в воде растворяется?
ü Почему запах геля не исчезает даже после купания?
Я задала эти вопросы своему тьютору Валерии, а она произнесла таинственное слово: «ДИФФУЗИЯ» Я тут же принялась искать ответ на новый вопрос: что же это такое? За ответом мы обратились за помощью к учителю физики (не зря же мы в этом году на занятиях кружка стали с физикой знакомиться). Вот что мы с Валерией услышали.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
ЯВЛЕНИЕ ДИФФУЗИИ- ТЕОРИЯ .
Диффузия - это самопроизвольное перемешивание соприкасающихся веществ, происходящее вследствие хаотического (беспорядочного)движения молекул.
Ещё одно определение: диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание) - процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.
Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной).
Диффузия происходит в жидкостях, твердых телах и газах. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твердого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896г. началось изучение проблемы.
Английский металлург Вильям Робертс –Аустин в простом эксперименте измерил диффузию золота в свинце. Он наплавил тонкий диск золота на конец цилиндра из чистого свинца длиной в 1 дюйм (2,45 см), поместил этот цилиндр в печь, где поддерживалась температура около 200 0 С, и держал его в печи 10 дней. Оказалось, что к«чистому концу» через весь цилиндр прошло вполне измеримое количество золота. Это еще раз доказывает. что скорость диффузии очень быстро возрастает с повышением температуры. Например, цинк диффундирует в медь при 300 0 С почти в 100 миллионов раз быстрее, чем при комнатной температуре.
Диффузия молекул протекает очень медленно. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным.
ЯВЛЕНИЕ ДИФФУЗИИ- ПРАКТИКА .
Физическое объяснение мы нашли. Я поняла, что диффузия прослеживается во многих домашних процессах:
а)засолка овощей;
б)получение сахара;
в)варка варенья;
г) окрашивание тканей;
д)стирка вещей и т.д.
И тут же, как обычно, решила познакомиться с тайной поближе. Ведь каждый ребёнок знает: чтобы понять, надо «потрогать». Могу ли я «потрогать» диффузию?
Чтобы попытаться найти ответы на мои вопросы, приступила к этапу второму. От теории я перешла к практике, то есть к опытам.
Купаюсь я в тёплой воде. Гель для душа растворяется в ней довольно быстро. Интересно:
Зависит ли диффузия от температуры?
Опыт –диффузия в жидкости
Была исследована скорость растворения кофе и сахара в воде различной температуры
При проведении опыта были использованы два стакана- с холодной и горячей водой. При заваривании было выяснено, что в стакане с горячей водой процесс растворения происходил быстрее.
Опыт с растворением окрашенных конфет
Вместе мы провели следующий опыт. В ёмкость с холодной водой были помещены 4 конфеты различной окраски. Мы засекли время. Только через 7 минут жидкость начала окрашиваться
Вывод : явление диффузии зависит от температуры, при высокой температуре оно проявляется быстрее.
Опыт - диффузия в газах.
С диффузионными процессами в жидкостях я разобралась. А как насчёт запахов, то есть газов?
Когда я на кухне режу лук, готовлю ужин, варю обед или готовлю маринад для заливки овощей (я очень люблю готовить!), ароматы из кухни распространяются по всей квартире. Это тоже благодаря диффузии
газов- запахов.
Запахи? Я люблю запахи!
Опыт с газами, находящимися под давлением
Я исследовала зависимость скорости распространения аромата в комнате от температуры:
из одной комнаты в другую аромат освежителя воздуха распространился за 20,53 сек;
затем я разбрызгала освежитель около настольной лампы, время - 14,03 сек.
Вывод : Скорость диффузии повышается с температурой, так как при нагревании увеличивается скорость движения молекул.
А ещё именно запах привлекает насекомых- так они помогают опылению растений. (Я люблю запахи растений. Может, я насекомое? Надо подумать на досуге)
Опыты с марганцем (проникновение в зависимости от плотности)
Были использованы яблоки разных сортов:«Грей»(2), «Антоновка»(1), «Джонатан»(3).
У яблок сорта «Антоновка»(1) проникновение марганца было медленнее. Этот сорт яблок – зимний, возможно он менее сочный, а их структура более плотная.
Для проведения следующего опыта использованы следующие овощи: репа, морковь, кабачок, картофель.
Через три часа было обнаружено, что проникновение марганца в кабачке, картофеле было больше, чем в репе и моркови. Репа и морковь имеют структуру более плотную, и глубина проникновения частиц марганца была меньше.
Вывод: Скорость диффузии зависит от плотности соприкасающихся материалов.
Учёные заметили закон,
Что если рядом близко два металла,
То через время, с каждой из сторон,
Молекулы пойдут друг к другу. И немало...
А если компоненты послабей,
Молекулы идут ещё смелей...
Именно поэтому нам так легко работать с пластилином.
ДИФФУЗИЯ И БЕЗОПАСНОСТЬ
Горючий газ-пропан, которым мы пользуемся дома для приготовления пищи, не имеет цвета. Поэтому трудно было бы сразу заметить утечку газа. А при утечке, засчёт диффузии, газ распространяется по всему помещению, и мы ощущаем его распространение по запаху. Между тем, при определённом соотношении газа с воздухом в закрытом помещении образуется смесь, которая может взорваться. Например, от зажжённой спички. Газ может вызвать и отравление людей.
Внимание, будьте осторожны, и непременно запомните номер газовой службы 04!
Когда лучи солнца попадают в комнату, можно наблюдать своеобразный «танец пылинок».
По этому поводу Лукреций Кар писал:
Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникает
В наши жилища, и мрак прорезает своими лучами,
Множество тел в пустоте, ты увидишь, мелькая,
Мечутся взад и вперёд в лучистом сиянии света.
Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах,
В схватки бросаются вдруг по отрядам, не зная покоя …
В комнатных пылинках, благодаря диффузии, содержатся частички плесени, молекулы тяжёлых металлов, которые содержатся в мебели, отделочных материалах и других квартирных «благах цивилизации».
С лёгкостью справляются с токсическими веществами, растворенными в воздухе комнат, комнатные цветы: нефролепис, диффенбахия, молочай, плющ, пеларгония, сансевьера и т. д. И всё это происходит благодаря диффузии.
Всем известный столетник (алоэ) способен снизить количество вредных микробов в 4 раза, а кактус- опунция в 6-7 раз уменьшает численность плесневых грибов в воздухе.
Табачный дым, покрытия из линолеума приносят вред нашему здоровью. Комнатные растения (фикус Бенджамина, традесканция, хлорофитум) могут поглощать и разлагать токсические вещества.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ДИФФУЗИЯ.
Явление диффузии можно проследить не только в учебниках. Так ка я учусь пока во 2 классе, эта сторона вопроса меня тоже заинтересовала. Мы с Валерией нашли несколько интересных сайтов, на которых раскрывались вопросы физики для малышей. Они помогли нам рассказать моим одноклассникам о диффузии.
Задача Григория Остера
Четырехлетняя Маша подкралась у мамы за спиной к зеркалу и, действуя совершенно бесшумно, вылила себе на голову три флакона французских духов.
КАК МАМА, СИДЯ К МАШЕ СПИНОЙ, ДОГАДАЛАСЬ С СЛУЧИВШЕМСЯ?
Коля и Витя
Встретились однажды два друга-ученика 2 «А» - Коля и Витя. Давно они не виделись.
А я уже физику знаю, - хвалится Коля.
И я тоже знаю, - говорит Витя. И стали они друг перед другом своими знаниями хвастаться. Коля:
Я знаю, что мельчайшая частица вещества- это молекула ".
Подумаешь! Зато я знаю, что все молекулы состоят из атомов .
А ты знаешь, что молекулы можно увидеть в микроскоп ?
А вот ты, Коля, знаешь, что чем меньше скорость движения молекул, тем выше температура данного тел а?
Ещё бы не знать! Это каждому известно! А ты слышал, что вещества могут находиться в трех состояниях: жидком, твердом и газообразном
?
Витя:
Конечно, слышал! Я даже знаю их свойства. Жидкости сохраняют форму, но меняют объём, а твердые тела не сохраняют ни формы, ни объёма. Газы меняют форму и объём
".
Коля:
Ну, тогда ответь на мой вопрос: одинаково ли быстро протекает диффузия в газах, жидкостях и твердых телах?
Витя:
Одинаково. На то она, брат, и диффузия.
ПРАВ ЛИ ВИТЯ?
Колобок.
Существовали старик со старухой.
Вот и акустически модулирует старик старухе:
- Переместись-ка, старуха, по зернохранилищу поскреби, по элеватору помети, не наскребешь ли муки на тороид или эллипсоид.
Взяла старуха вакуумный насос, по зернохранилищу поскребла, по элеватору помела и наскребла муки сто кубических сантиметров.
Создала коллоидную смесь муки и сметаны, сформовала колобок сферической формы, термически обработала в ненасыщенных жирных кислотах и на окошко положила. На закал.
Колобок попокоился, попокоился, взял да и пришел в движение: с окна на лавку, с лавки на пол, пó полу к двери, прыг через порог - да в сени, из сеней на крыльцо, с крыльца на двор, со двора за ворота, экспоненциально возрастает пройденный путь.
Перемещается Колобок по дороге, навстречу ему Заяц:
- Не абсорбируй меня, Заяц, я тебе первый закон Ньютона доложу:
Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальная точка при отсутствии внешних воздействий сохраняет величину и направление своей скорости неограниченно долго.
И равноускоренно покатился по дороге - только Заяц его и наблюдал!
Перемещается Колобок, навстречу ему Волк:
- Колобок, Колобок, я тебя абсорбирую!
- Не абсорбируй меня, Серый Волк, я тебе второй закон Ньютона открою:
В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.
И набрал кинетическую энергию - только Волк черенковское излучение и уловил!
Движется равномерно Колобок, навстречу ему Медведь:
- Колобок, Колобок, я тебя абсорбирую!
- Где тебе, косолапому, абсорбировать меня! Вот тебе третий закон Ньютона, подумай над ним:
Материальные точки взаимодействуют друг с другом силами, имеющими одинаковую природу, направленными вдоль прямой, соединяющей эти точки, равными по модулю и противоположными по направлению.
И опять начал менять положение в пространстве - только Медведь его уравнение движения и интегрировал!
Релоцируется Колобок, навстречу ему Лиса:
- Колобок, Колобок, скажи конечную точку своей траектории?
- По антиградиенту геопотенциала перемещаюсь, не видишь что ли.
- Колобок, Колобок, расскажи мне про диффузию
!
Колобок и запел:
Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другие процессы переноса: теплопроводность, вязкое трение и т. п.
Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной) . Другой пример связан с твёрдым телом: атомы соприкасающихся металлов перемешиваются на границе соприкосновения. Важную роль диффузия частиц играет в физике плазмы.
А Лиса говорит:
- Ах, песенка хороша, да органы слуха деградировали. Колобок, Колобок, переместись ко мне на носок да спой еще разок, погромче.
Колобок сменил координаты в соответствии с условиями задачи и запел погромче ту же песенку.
А Лиса опять ему:
- Колобок, Колобок, сядь ко мне на язычок да пропой в последний разок.
Колобок прыг Лисе на язык, а Лиса его - гам! - и абсорбировала.
Cтраница 1
Зависимость скорости диффузии от состава стали Геллер и Так-Го Сун объясняют тем, что наличие в металле добавок, обладающих большим или меньшим сродством к водороду, чем железо, приводит к соответствующему изменению коэффициента диффузии, а следовательно, к изменению энергии активации процесса диффузии.
Зависимость скорости диффузии низкомолекулярных ве-щест в в кристаллизующихся сополимерах от состава цепи приведена на рис. 5.14, 5.15. Можно видеть, что по мере амор-физации матрицы различия между DKP и Аш уменьшаются, а в средней области составов сополимеров (/ кр 0) они совпадают между собой.
Зависимость скорости диффузии примесных элементов в твердом растворителе от размера зерна общеизвестна.
Вследствие зависимости скорости диффузии от температуры способность ОВ проникать в лаковые и прочие покрытия в зимних условиях очень низка. Например, при - 10 С практически ОВ не проникают в лакокрасочные покрытия.
| Типы кинетич. кривых сорбции (1 и десорбции (2. обозначения в тексте.| Наиболее распространенные формы ячеек сотопласта. а - шестигранная, б - прямоугольная, б - гибкая, г - усиленная шестигранная, 9 - квадратная (разновидность прямоугольной. |
Поскольку зависимость скоростей диффузии и релаксации от темп-ры и концентрации не одинакова, при одних темп-рных и концентрационных условиях С. Поэтому при изменении темн-ры и концентрации возможен переход от С.
| Типы кинетич. кривых сорбции (1 и десорбции (2. обозначения в тексте.| Наиболее распространенные формы ячеек сотопласта. а - шестигранная, б - прямоугольная, в - гибкая, г - - усиленная шестигранная, д - квадратная (разновидность прямоугольной. |
Поскольку зависимость скоростей диффузии и релаксации от темп-ры и концентрации не одинакова, при одних темп-рных и концентрационных условиях С. Поэтому при изменении темп-ры и концентрации возможен переход от С.
Представьте график зависимости скорости диффузии и скорости химической реакции от температуры для гетерогенной реакции и укажите, в каком интервале температур реакция протекает в диффузионной области, а в каком - в кинетической.
Весьма важно знать зависимость скорости диффузии от диаметра дуги.
Также легко объяснить зависимость скорости диффузии от температуры. Более высокая температура означает более высокие молекулярные скорости и более быструю диффузию. Наличие градиентов температуры приводит к возникновению термической диффузии. Явление термической диффузии заключается в том, что наличие градиента температуры в смеси двух газов приводит к возникновению градиента относительных концентраций этих компонентов. Если смесь, как целое, находится в состоянии покоя, градиент концентрации при равновесии будет таким, что действие термической диффузии уравновешивается действием обыкновенной диффузии.
Также легко уяснить себе зависимость скорости диффузии от температуры и давления. Более высокая температура означает более высокие молекулярные скорости и более быструю диффузию. Более высокое давление означает меньшую длину свободного пути и более медленную диффузию.
Также легко уяснить себе зависимость скорости диффузии от температуры. Более высокая температура означает более высокие молекулярные скорости и более быструю диффузию. Наличие температурных градиентов приводит к возникновению термической диффузии. Явление термической диффузии заключается в том, что наличие градиента температур в смеси двух газов приводит к возникновению градиента относительных концентраций этих компонентов.
В настоящей работе выяснялась зависимость скорости диффузии ионов меди в стекло от природы и количества в стекле щелочных окислов, а также от природы окислов щелочноземельных элементов.
Физика — одна из самых интересных, загадочных и в то же время логичных наук. Она объясняет все, что можно объяснить даже то, как чай становится сладким, а суп соленым. Истинный физик сказал бы иначе: так протекает диффузия в жидкостях.
Диффузия
Диффузия — это волшебный процесс проникновения мельчайших частиц одного вещества в межмолекулярные пространства другого. Кстати, такое проникновение взаимно.
Знаете, как это слово переводится с латыни? Растекание, распространение.
Как протекает диффузия в жидкостях
Диффузия может наблюдаться при взаимодействии любых веществ: жидких, газообразных и твердых.
Чтобы узнать, как протекает диффузия в жидкостях, можно попробовать бросить несколько крупинок краски, молотого грифеля или, например, марганцовки в прозрачный сосуд с чистой водой. Лучше, если сосуд этот будет высоким. Что мы увидим? Сначала кристаллики под действием силы тяжести опустятся на дно, но через некоторое время вокруг них появится ореол окрашенной воды, который будет растекаться и растекаться. Если не подходить к данным сосудам хотя бы несколько недель, мы обнаружим, что вода окрасится практически полностью.
Еще один наглядный пример. Для того чтобы сахар или соль растворились быстрее, их нужно размешать в воде. Но если этого не сделать, сахар или соль самостоятельно растворятся через некоторое время: чай или компот станут сладкими, а суп или рассол - солеными.
Как протекает диффузия в жидкостях: опыт
Для того чтобы определить, как скорость диффузии зависит от температуры вещества, можно провести небольшой, но весьма показательный опыт.
Возьмем два стакана одинакового объема: один — с холодной водой, другой — с горячей. Насыпаем в оба стакана равное количество растворимого порошка (например, кофе или какао). В одном из сосудов порошок начнет растворяться интенсивнее. Знаете, в каком именно? Догадаетесь? Там, где температура воды выше! Ведь диффузия протекает в ходе беспорядочного хаотичного движения молекул, а при высоких температурах это движение происходит намного быстрее.
Диффузия может происходить в любых веществах, различается лишь время протекания этого явления. Самая высокая скорость — в газах. Именно поэтому нельзя хранить в холодильнике сливочное масло рядом с селедкой или салом, натертым мелко порубленным чесноком. Далее следуют жидкости (от меньшей плотности к наибольшей). И самая медленная — диффузия твердых тел. Хотя на первый взгляд диффузии в твердых телах не бывает.
Cтраница 1
Скорость диффузии к месту кристаллизации, а следовательно, и роста кристаллов в значительной степени зависят от вязкости среды и возрастают с уменьшением вязкости.
Скорость диффузии растет с увеличением температуры.
| Схема механизмов диффузии. |
Скорость диффузии определяется количеством вещества т, диффундирующего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени. Количество Диффундирующего (в единицу времени) вещества m зависит от градиента концентрации dC / dx элемента в направлении, нормальном к поверхности раздела и пропорционально коэффициенту диффузии D: т - D (dC / dx), где dC - концентрация; dx - расстояние в выбранном направлении.
Скорость диффузии значительно понижается, если металл слегка окислен. Палладий и некоторые другие металлы особенно разрушаются предварительной термической обработкой. Хем нашел, что скорость диффузии для нового пассивного палладия падает на одну пятидесятую своей первоначальной величины после нагревания в течение нескольких часов до 1000 С. Проницаемость возвращается нагреванием до 500 С в кислороде, причем образуется кислородная пленка, затем восстанавливаемая обработкой водородом при 150 С. Нагревание в азоте повышает проницаемость палладия. Баукло и Кайзер [ 5а ] нашли, что скорость диффузии водорода через никель остается постоянной до 850 С и постепенно падает при более высоких температурах. Через шесть часов при 1060 С скорость уменьшается на 30 % первоначальной величины.
Скорость диффузии зависит также от предварительной термической обработки металла, через который происходит диффузия. Если свежеприготовленный препарат палладия, освобожденный от газа, дает определенную скорость диффузии при 300 и 760 мм давления, то другой препарат палладия может потребовать нагревания, например, до 600 при 760 мм давления, чтобы дать ту же скорость диффузии. Если железо находилось в контакте с азотом, то скорость диффузии водорода может быть в 10 - 15 раз выше, однако кривые диффузии совпадают с их прежним положением при нагревании до более высоких температур.
Скорости диффузии играют также решающую роль при реакциях между полимером и реагентами, молекулы которых имеют небольшие размеры. Если, например, скорость диффузии кислорода в каучук недостаточно велика для поддержания его постоянной концентрации в образце полимера, то диффузия становится процессом, определяющим скорость реакции, и все попытки количественных кинетических измерений будут безуспешными. Такие же эффекты возможны и при гетерогенных реакциях гидролиза.
Скорость диффузии пропорциональна общей концентрации раствора и сильно увеличивается с повышением температуры. В свою очередь ускорение диффузии приводит к ускорению электролиза. Так, например, при электролизе с перемешиванием из холодного раствора SnQ4 0 2 г олова выделяются током силой 1 5 - 1 7 а за 70 мин, а из горячего всего лишь за 30 мин.
Скорость диффузии, по-видимому, должна снижаться при уменьшении диаметра пор, причем точная функциональная зависимость между этими величинами определится типом диффузии внутри пор. Рассмотрим случай с катализатором, содержащим настолько мелкие частицы металлического палладия, что они распределены по поверхности активированного угля о одинаковой плотностью независимо от диаметра пор.
Скорость диффузии и испарения в турбулентном потоке определяются такими характеристиками, как интенсивность и масштаб турбз лентности.
Скорость диффузии определяется разностью концентраций, температурой и вязкостью среды.