Hãy bắt đầu với thực tế rằng chất lỏng là một trạng thái tập hợp trung gian. Ở điểm sôi tới hạn, nó tương tự như chất khí, và ở nhiệt độ thấp, các đặc điểm tương tự như chất rắn xuất hiện. Chất lỏng không có mô hình lý tưởng, điều này làm phức tạp đáng kể việc mô tả các đặc tính nhiệt động cân bằng, điểm đóng băng, độ nhớt, độ khuếch tán, độ dẫn nhiệt, sức căng bề mặt, entropi, entanpi.
Định nghĩa
Sự khuếch tán là gì? Đây là sự lan truyền, phân bố, chuyển động của các phần tử của môi trường, dẫn đến chuyển giao vật chất, thiết lập các nồng độ cân bằng. Trong trường hợp không có các tác động bên ngoài, quá trình này được xác định bởi chuyển động nhiệt của các hạt. Trong trường hợp này, quá trình khuếch tán tỷ lệ thuận với nồng độ. Thông lượng khuếch tán sẽ thay đổi tương tự như gradient nồng độ.
Giống
Nếu sự khuếch tán trong chất lỏng xảy ra với sự thay đổi nhiệt độ, nó được gọi là sự khuếch tán nhiệt, trong điện trường - sự khuếch tán điện.
Quá trình chuyển động của các hạt lớn trong chất lỏng hoặc chất khí xảy ra dướiđịnh luật chuyển động Brown.
Tính năng của dòng chảy
Sự khuếch tán trong chất khí, chất lỏng và chất rắn diễn ra với các tốc độ khác nhau. Do sự khác biệt về bản chất chuyển động nhiệt của các hạt trong các môi trường khác nhau, quá trình này có tốc độ tối đa trong chất khí và tốc độ nhỏ nhất - trong chất rắn.
Quỹ đạo của hạt là một đường đứt gãy, vì hướng và tốc độ thay đổi theo chu kỳ. Do chuyển động bị rối loạn, người ta quan sát thấy sự di chuyển dần dần của hạt khỏi vị trí ban đầu của nó. Sự dịch chuyển của nó dọc theo một đường thẳng ngắn hơn nhiều so với đường đi dọc theo một con đường bị đứt gãy.
Fick's Law
Sự khuếch tán trong chất lỏng tuân theo hai định luật Fick:
- mật độ thông lượng khuếch tán tỷ lệ thuận với nồng độ với hệ số khuếch tán;
- Tốc độ thay đổi mật độ thông lượng khuếch tán tỷ lệ thuận với tốc độ thay đổi nồng độ và có hướng ngược lại.
Sự khuếch tán trong chất lỏng được đặc trưng bởi bước nhảy của các phân tử từ vị trí cân bằng này sang vị trí cân bằng khác. Mỗi bước nhảy như vậy được quan sát khi năng lượng được truyền vào phân tử ở một thể tích đủ để phá vỡ liên kết với các hạt khác. Bước nhảy trung bình không vượt quá khoảng cách giữa các phân tử.
Khi thảo luận về sự khuếch tán trong chất lỏng là gì, chúng ta lưu ý rằng quá trình phụ thuộc vào nhiệt độ. Với sự gia tăng của nó, sự "nới lỏng" của cấu trúc chất lỏng xảy ra, kết quả là sự gia tăng mạnhsố lần nhảy trên một đơn vị thời gian.
Sự khuếch tán trong chất khí, chất lỏng và chất rắn có một số đặc điểm riêng biệt. Ví dụ, trong chất rắn, cơ chế liên quan đến sự chuyển động của các nguyên tử trong mạng tinh thể.
Đặc điểm của hiện tượng
Sự khuếch tán trong chất lỏng được quan tâm thực tế do nó đi kèm với sự cân bằng nồng độ của một chất trong môi trường ban đầu không đồng nhất. Nhiều hạt thoát ra khỏi khu vực có nồng độ cao hơn đáng kể.
Thử nghiệm
Thí nghiệm với chất lỏng đã chỉ ra rằng sự khuếch tán có tầm quan trọng đặc biệt trong động học hóa học. Trong quá trình của một quá trình hóa học trên bề mặt của chất phản ứng hoặc chất xúc tác, quá trình này góp phần xác định tốc độ loại bỏ các sản phẩm phản ứng và thêm thuốc thử ban đầu.
Điều gì giải thích sự khuếch tán trong chất lỏng? Các phân tử dung môi có thể xâm nhập qua màng mờ, dẫn đến áp suất thẩm thấu. Hiện tượng này đã được ứng dụng trong các phương pháp hóa học và vật lý để tách các chất.
Hệ thống sinh học
Trong trường hợp này, các mô hình khuếch tán có thể được coi là ví dụ về oxy không khí đi vào phổi, sự hấp thụ các sản phẩm tiêu hóa từ ruột vào máu, sự hấp thụ các nguyên tố khoáng của rễ lông. Sự khuếch tán của các ion xảy ra trong quá trình tạo ra các xung điện sinh học bởi các tế bào cơ và thần kinh.
Yếu tố vật lý ảnh hưởng đếntính chọn lọc của sự tích tụ trong tế bào của cơ thể một số nguyên tố, là tốc độ xâm nhập khác nhau của các ion qua màng tế bào. Quá trình này có thể được biểu thị bằng định luật Fick, thay thế giá trị của hệ số khuếch tán bằng độ thấm của màng, và thay vì gradient nồng độ, sử dụng sự khác biệt về giá trị ở cả hai phía của màng. Với sự xâm nhập khuếch tán của nước và khí vào tế bào, các chỉ số áp suất thẩm thấu bên ngoài và bên trong tế bào thay đổi.
Phân tích sự khuếch tán phụ thuộc vào điều gì, chúng tôi lưu ý rằng có một số loại quy trình này. Dạng đơn giản liên quan đến sự chuyển giao tự do của các ion và phân tử đối với gradien của thế điện hóa của chúng. Ví dụ: tùy chọn này phù hợp với những chất mà các phân tử có kích thước nhỏ, ví dụ như rượu metylic, nước.
Biến thể giới hạn giả định sự chuyển giao vật chất yếu. Ví dụ, ngay cả các hạt nhỏ cũng không thể xâm nhập vào tế bào.
Trang Lịch sử
Khuếch tán được phát hiện trong thời kỳ hoàng kim của văn hóa Hy Lạp cổ đại. Democritus và Anaxogoras đã thuyết phục rằng bất kỳ chất nào cũng bao gồm các nguyên tử. Họ giải thích sự đa dạng của các chất phổ biến trong tự nhiên bằng sự liên kết giữa các nguyên tử riêng lẻ. Họ cho rằng những hạt này có thể trộn lẫn để tạo thành chất mới. Trong số những người sáng lập ra thuyết động học phân tử, lý thuyết giải thích cơ chế của sự khuếch tán, Mikhail Lomonosov đóng một vai trò đặc biệt. Họ đã đưa ra định nghĩa về phân tử, nguyên tử và giải thích cơ chế của sự hòa tan.
Thử nghiệm
Trải nghiệm với đường cho phép bạn hiểu tất cả các tính năng của sự khuếch tán. Nếu bạn cho một phần đường vào trà lạnh, một loại siro đặc sẽ dần dần hình thành dưới đáy cốc. Nó có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Sau một thời gian, siro sẽ được phân bố đều khắp thể tích của chất lỏng và không còn nhìn thấy được nữa. Quá trình này tiến hành một cách tự phát và không liên quan đến việc trộn các thành phần của dung dịch. Tương tự, hương thơm của nước hoa lan tỏa khắp phòng.
Các thí nghiệm trên cho thấy sự khuếch tán là một quá trình thâm nhập tự phát của các phân tử của chất này vào chất khác. Sự lan truyền của vật chất xảy ra theo mọi hướng, bất chấp sự hiện diện của lực hấp dẫn. Quá trình như vậy là sự xác nhận trực tiếp về chuyển động không ngừng của các phân tử vật chất.
Như vậy, trong ví dụ trên, sự khuếch tán của đường và phân tử nước được thực hiện, kèm theo đó là sự phân bố đồng đều của các phân tử chất hữu cơ trong toàn bộ thể tích của chất lỏng.
Thí nghiệm giúp phát hiện sự khuếch tán không chỉ trong chất lỏng mà còn cả ở chất khí. Ví dụ, bạn có thể lắp một bình chứa hơi ete trên cân. Dần dần, các cốc sẽ cân bằng, khi đó cốc có ê-te sẽ nặng hơn. Lý do cho hiện tượng này là gì?
Theo thời gian, các phân tử ete trộn lẫn với các phần tử không khí, và một mùi cụ thể bắt đầu được cảm nhận trong phòng. Trong một khóa học vật lý trung học, một thí nghiệm được coi là trong đó một giáo viên hòa tan một hạt thuốc tím (thuốc tím) trong nước. Lúc đầu, có thể nhìn thấy quỹ đạo chuyển động của hạt rõ ràng,nhưng dần dần toàn bộ dung dịch thu được một bóng râm đồng nhất. Dựa vào thí nghiệm, giáo viên giải thích các đặc điểm của hiện tượng khuếch tán.
Để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình trong chất lỏng, bạn có thể sử dụng nước có nhiệt độ khác nhau. Trong chất lỏng nóng, quá trình trộn lẫn nhau của các phân tử được quan sát nhanh hơn nhiều, do đó, có mối quan hệ trực tiếp giữa giá trị nhiệt độ và tốc độ khuếch tán.
Kết
Các thí nghiệm được tiến hành với chất khí, chất lỏng và chất rắn giúp hình thành các định luật vật lý, thiết lập mối quan hệ giữa các đại lượng riêng lẻ.
Đó là kết quả của các thí nghiệm mà cơ chế xâm nhập lẫn nhau của các hạt của chất này vào chất khác được thiết lập, bản chất hỗn loạn của chuyển động của chúng đã được chứng minh. Theo kinh nghiệm, người ta thấy rằng sự khuếch tán xảy ra nhanh nhất ở các chất ở thể khí. Quá trình này có tầm quan trọng lớn đối với động vật hoang dã, được sử dụng trong khoa học và công nghệ.
Nhờ hiện tượng này, thành phần đồng nhất của khí quyển trái đất được duy trì. Nếu không, sự phân tầng của tầng đối lưu thành các chất khí riêng biệt sẽ được quan sát thấy và carbon dioxide nặng, không thích hợp để thở, sẽ ở gần bề mặt hành tinh của chúng ta nhất. Nó sẽ dẫn đến điều gì? Động vật hoang dã đơn giản là sẽ không còn tồn tại.
Vai trò của sự khuếch tán trong thế giới thực vật cũng rất lớn. Ngọn cây tươi tốt có thể được giải thích bằng sự trao đổi khuếch tán qua bề mặt của lá. Nhờ vậy, không chỉ hô hấp được thực hiện mà còn cung cấp dinh dưỡng cho cây. Hiện nay trong nông nghiệpViệc ăn lá của cây bụi và cây cối được sử dụng, bao gồm việc phun tán lá bằng các hợp chất hóa học đặc biệt.
Chính trong quá trình khuếch tán, cây trồng sẽ nhận được chất dinh dưỡng từ đất. Các quá trình sinh lý xảy ra trong cơ thể sống cũng gắn liền với hiện tượng này. Ví dụ, cân bằng muối là không thể nếu không có sự khuếch tán. Các quá trình như vậy có tầm quan trọng lớn trong việc cung cấp oxy cho các hồ và sông. Khí đi vào độ sâu của bể chứa một cách chính xác bằng cách khuếch tán. Nếu không có quy trình như vậy, sự sống bên trong hồ chứa sẽ không còn tồn tại.
Việc uống các loại thuốc cho phép một người tự bảo vệ mình khỏi các mầm bệnh của các bệnh khác nhau và cải thiện sức khỏe cũng dựa trên sự lan tỏa. Hiện tượng này được sử dụng trong hàn kim loại, sản xuất nước đường từ khoai tây chiên củ cải đường, và chế biến bánh kẹo. Rất khó để tìm thấy một ngành công nghiệp hiện đại như vậy mà không sử dụng sự khuếch tán.
