Entre os inúmeros fenômenos da física, o processo de difusão é um dos mais simples e compreensíveis. Afinal, todas as manhãs, preparando chá ou café perfumado, uma pessoa tem a oportunidade de observar essa reação na prática. Vamos aprender mais sobre esse processo e as condições para sua ocorrência em diferentes estados agregados.
O que é difusão
Esta palavra refere-se à penetração de moléculas ou átomos de uma substância entre unidades estruturais semelhantes de outra. Neste caso, a concentração de compostos penetrantes é nivelada.
Este processo foi descrito em detalhes pela primeira vez pelo cientista alemão Adolf Fick em 1855
O nome deste termo foi formado a partir do substantivo verbal latino diffusio (interação, dispersão, distribuição).
Difusão em um líquido
O processo considerado pode ocorrer com substâncias em todos os três estados de agregação: gasoso, líquido e sólido. Para exemplos práticos disso, basta olhar paracozinha.
borscht cozido no fogão é um deles. Sob a influência da temperatura, as moléculas de glucosina betanina (uma substância devido à qual as beterrabas têm uma cor escarlate tão rica) reagem uniformemente com as moléculas de água, dando-lhe uma tonalidade bordô única. Este caso é um exemplo de difusão em líquidos.
Além do borscht, esse processo também pode ser visto em um copo de chá ou café. Ambas as bebidas têm um tom rico e uniforme devido ao fato de que folhas de chá ou partículas de café, dissolvendo-se na água, se espalham uniformemente entre suas moléculas, colorindo-as. A ação de todas as bebidas instantâneas populares dos anos noventa é construída sobre o mesmo princípio: Yupi, Invite, Zuko.
Interpenetração de gases
Continuando a procurar manifestações do processo em questão na cozinha, vale a pena cheirar e apreciar o agradável aroma que emana de um buquê de flores frescas na mesa de jantar. Por que isso está acontecendo?
Átomos e moléculas que transportam odores estão em movimento ativo e, como resultado, são misturados com partículas já no ar, e são dispersos de maneira bastante uniforme no volume da sala.
Esta é uma manifestação de difusão em gases. Vale a pena notar que a própria inalação de ar também pertence ao processo em consideração, assim como o cheiro apetitoso de borscht recém-cozido na cozinha.
Difusão em sólidos
A mesa da cozinha com flores é coberta com uma toalha amarela brilhante. Ela recebeu um tom semelhante graças aa capacidade de difusão para passar através de sólidos.
O processo de dar uma tonalidade uniforme à tela ocorre em várias etapas, como segue.
- Partículas de pigmento amarelo difundidas no tanque de tinta em direção ao material fibroso.
- Eles foram então absorvidos pela superfície externa do tecido tingido.
- O próximo passo foi novamente difundir o corante, mas desta vez nas fibras da teia.
- No final, o tecido fixou as partículas de pigmento, tornando-se colorido.
Difusão de gases em metais
Normalmente, falando sobre esse processo, considere a interação de substâncias no mesmo estado de agregação. Por exemplo, difusão em sólidos, sólidos. Para provar esse fenômeno, um experimento é realizado com duas placas de metal pressionadas uma contra a outra (ouro e chumbo). A interpenetração de suas moléculas leva muito tempo (um milímetro em cinco anos). Este processo é usado para fazer joias incomuns.
No entanto, compostos em diferentes estados agregados também são capazes de se difundir. Por exemplo, há difusão de gases em sólidos.
Durante os experimentos foi provado que tal processo ocorre no estado atômico. Para ativá-lo, como regra, você precisa de um aumento significativo de temperatura e pressão.
Um exemplo de tal difusão gasosa em sólidos é a corrosão por hidrogênio. Manifesta-se em situações em queÁtomos de hidrogênio (Н2) que surgiram no decorrer de alguma reação química sob a influência de altas temperaturas (de 200 a 650 graus Celsius) penetram entre as partículas estruturais do metal.
Além do hidrogênio, a difusão de oxigênio e outros gases também pode ocorrer em sólidos. Esse processo, imperceptível a olho nu, faz muito mal, pois as estruturas metálicas podem desmoronar por causa disso.
Difusão de líquidos em metais
No entanto, não apenas as moléculas de gás podem penetrar em sólidos, mas também em líquidos. Como no caso do hidrogênio, na maioria das vezes esse processo leva à corrosão (quando se trata de metais).
Um exemplo clássico de difusão líquida em sólidos é a corrosão de metais sob a influência da água (H2O) ou soluções eletrolíticas. Para a maioria, esse processo é mais familiar sob o nome de ferrugem. Ao contrário da corrosão por hidrogênio, na prática ela deve ser encontrada com muito mais frequência.
Condições para acelerar a difusão. Coeficiente de difusão
Tendo tratado das substâncias nas quais o processo em questão pode ocorrer, vale a pena conhecer as condições para sua ocorrência.
Em primeiro lugar, a velocidade de difusão depende do estado agregado das substâncias que interagem. Quanto maior a densidade do material em que a reação ocorre, mais lenta sua velocidade.
Neste sentido, a difusão em líquidos e gases será sempre mais ativa do que em sólidos.
Por exemplo, se os cristaispermanganato de potássio KMnO4 (permanganato de potássio) jogue na água, eles vão dar uma linda cor de framboesa em poucos minutos Cor. No entanto, se você polvilhar cristais de KMnO4 em um pedaço de gelo e colocar tudo no freezer, depois de algumas horas, o permanganato de potássio irá não ser capaz de colorir totalmente o H 2O.
congelado.
Do exemplo anterior, mais uma conclusão sobre as condições de difusão pode ser tirada. Além do estado de agregação, a temperatura também afeta a taxa de interpenetração das partículas.
Para considerar a dependência do processo em consideração dele, vale a pena aprender sobre um conceito como o coeficiente de difusão. Este é o nome da característica quantitativa de sua velocidade.
Na maioria das fórmulas, é denotado com uma letra maiúscula D latina e no sistema SI é medido em metros quadrados por segundo (m² / s), às vezes em centímetros por segundo (cm2 /m).
O coeficiente de difusão é igual à quantidade de matéria espalhada por uma superfície unitária em uma unidade de tempo, desde que a diferença de densidade em ambas as superfícies (localizadas a uma distância igual a uma unidade de comprimento) seja igual a um. Os critérios que determinam D são as propriedades da substância na qual ocorre o próprio processo de espalhamento de partículas e seu tipo.
A dependência do coeficiente com a temperatura pode ser descrita usando a equação de Arrhenius: D=D0exp(-E/TR).
Na fórmula considerada E é a energia mínima necessária para ativar o processo; T - temperatura (medida em Kelvin, não Celsius); R-constante de gás característica de um gás ideal.
Além de todos os itens acima, a taxa de difusão em sólidos, líquidos em gases é afetada pela pressão e radiação (indutiva ou de alta frequência). Além disso, muito depende da presença de uma substância catalítica, muitas vezes ela atua como um gatilho para o início da dispersão ativa das partículas.
Equação de difusão
Este fenômeno é uma forma particular da equação diferencial parcial.
Seu objetivo é encontrar a dependência da concentração de uma substância do tamanho e das coordenadas do espaço (no qual ela se difunde), bem como do tempo. Neste caso, o coeficiente dado caracteriza a permeabilidade do meio para a reação.
Na maioria das vezes, a equação de difusão é escrita da seguinte forma: ∂φ (r, t)/∂t=∇ x [D(φ, r) ∇ φ (r, t)].
Nele φ (t e r) é a densidade da substância espalhadora no ponto r no tempo t. D (φ, r) - coeficiente de difusão generalizada na densidade φ no ponto r.
∇ - operador diferencial vetorial cujos componentes são derivadas parciais em coordenadas.
Quando o coeficiente de difusão é dependente da densidade, a equação é não linear. Quando não - linear.
Tendo considerado a definição de difusão e as características desse processo em diferentes ambientes, pode-se notar que ele tem lados positivos e negativos.
