I. Введение

      Уже в глубокой древности, за 2500 тыс. лет до нашего времени, зародилось представление, что все окружающие нас тела состоят из мельчайших час тиц, недоступных непосредственному наблюдению. Однако лишь за последние 150 лет развилось и было экспериментально обосновано современное учение о молекулах и атомах - молекулярная теория. Одним из основателей молекулярной теории был Демокрит. Суть учения Демокрита сводилась к следующему: не существует ничего, кроме атомов; атомы беско нечны по числу и бесконечно разнообразны по фор ме; различие между вещами происходит от разли чия их атомов в числе, величине, форме и порядке; качественного различия между атомами нет. Учение Демокрита существует давно, однако и нынешнее учение основано на предположениях того времени.

      В основе современного положения молекулярно-кинетической лежат три утверждения, каждое из которых в настоящее время строго доказано экспе риментально: вещество состоит из частиц; эти час тицы хаотически движутся; частицы взаимодейству ют друг с другом.

      Из учения Демокрита следует, что все тела со стоят из атомов, однако атомы могут образовывать молекулы. Молекулами называют мельчайшие час тицы, из которых состоят различные вещества и которые обладают свойствами этого вещества. Все частицы находятся в непрерывном дви жении. Одним из проявлений теплового движения является процесс диффузии. Диффузия - проник новение молекул одного вещества в промежутки меж ду молекулами другого вещества.

П. Цель работы

     Целью экспериментальной работы является наблю дение и изучение явления диффузии. Для проведе ния эксперимента использовались леденцы четырёх различных цветов, вода и промокательная бумага.

      Эксперимент I - наблюдение растворения леден цов в воде при неизменной температуре (t - 21 °С).

      Эксперимент II ~ изучение зависимости скорос ти протекания диффузии от температуры.

Одно из распространенных явлений природы, которое объясняют хаотическим движением молекул, представляет собой явление диффузии (от латинского «диффузио» — растекание). Примером диффузии служит распространение запаха цветов или приготовляемой пищи. Вследствие испарения концентрация моле кул пахучих веществ в непосредственной близости от букета цветов большая, а хаотическое тепловое движение молекул перемешивает молекулы воздуха и пахучих веществ, что и вызывает распростра нение запаха по всей комнате. Такое перемешивание ведет к вырав ниванию концентрации молекул пахучих веществ во всем объеме комнаты.

       Процесс выравнивания концентрации молекул какого-либо веществ в пространстве, обусловленный хаотическим движением молекул, называется диффузией. Поскольку средняя скорость хаотического движения молекул возрастает при повышении температуры, то и диффузия  должна  ускоряться  при  повышении  температуры,   что действительно подтверждается всеми опытами.

В жидкостях диффузия протекает значительно медленнее, чем в газах. Если налить в сосуд чистую воду, а сверху подкрашенный спирт так, чтобы между жидкостями была видна резкая граница, и наблюдать за ней, то через несколько дней мы увидим, что резкая граница исчезла, а вода окрасилась на значительную глубину вслед ствие взаимной диффузии воды и спирта.

       В твердых телах диффузия происходит очень медленно и заметна лишь при повышенной температуре. Если плотно прижать друг к другу две разнородные металлические пластинки и держать их при температуре в несколько сот градусов, то взаимная диффузия металлов будет заметна уже через несколько часов. Это можно обнаружить, если разделить пластинки и исследовать их поверх ности .

        Почему же диффузия в жидкостях протекает медленнее, чем в газах, а в твердых телах медленнее, чем в жидкостях? Очевидно, это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены ближе друг к другу, чем в газах, и силы взаимного притяжения молекул замедляют процесс диффузии. Поскольку в твердых телах молеку лярные силы больше, чем в жидкостях, процесс диффузии в твердых телах протекает еще медленнее.

III. Оборудование

       4 блюдца, леденцы разного цвета, стакан с водой.

IV. Проведение эксперимента I

      1. Положим в каждое блюдце по 3 леденца оди накового цвета. Нальём в каждое блюдце одинаковое количество воды при температуре t = 13 °С (фото).

      2. Вода в блюдцах начинала окрашиваться в цвет леденцов через несколько минут, т.е. началось ра створение леденцов (фото). Вода является хоро шим растворителем. Под действием молекул воды происходит разрушение связей между молекулами веществ твёрдых леденцов. В результате молекулы воды начинают проникать в промежутки между мо лекулами твёрдых веществ, нарушая силы притяже ния. Одновременно начинают действовать силы от талкивания и, как следствие, происходит разрушение кристаллической решётки твёрдого вещества. Однако размеры молекул воды и окрашенных леденцов на столько малы (масса молекулы воды приблизительно равна m0 - 0,000 000 000 000 000 000 000 029 88 г), и их так много, что проследить за движением одной молекулы невозможно. Например, число частиц в объёме 0,0005 м3 равно            1,806 • 1022. Наблюдаемое явление называется диффузией. Процесс растворе ния леденцов закончился, вода полностью окрасилась в цвет леденцов,  находящихся в блюдцах (фото).

3. Возьмём лист промокательной бумаги, прове дём на нём карандашную линию на расстоянии 3 см от края. Капнем получившимся раствором краски на карандашную линию. Будем делать это до тех пор, пока пятна не станут яркими. (Фото)

Затем свернём бумагу в цилиндр. В тарелку нальём воду (высотой примерно 2,5 см). Опустим нижнюю часть цилиндра с пятнами краски в тарелку с водой. Бумага начала впитывать воду, и вода поднимается вверх по бумаге.. Подъём воды происходит за счёт сил притяжения молекул воды и бумаги. Эти силы больше, чем силы притя жения между частицами поды. Поэтому пятна крас ки постепенно размываются, их площадь увеличи вается, они одновременно становятся светлее, про должается подъём краски вместе с водой. Это явление называется капиллярностью, оно со провождает диффузию.

V. Проведение эксперимента II

     1. Возьмём 2 стакана, в один из них нальём хо лодную воду, в другой - горячую равного объёма. Электронным термометром ТЭН-5 измерим началь ную температуру холодной и горячей воды: tх = 6,4°С, tг = 65,8 °С.

2. Леденцы красного и жёлтого цветов разло жим в два тонкостенных стакана с водой. Объём воды в обоих стаканах равный. В этом эксперимен те мы исключили объём. Изменяются три парамет ра: время, температура и высота столба окрашенной жидкости. Все эти величины можно измерить с учё том погрешности, но построить строгую математи ческую зависимость сложно, т.к. не хватает матема тического аппарата. Поэтому построим гистограммы, на которых покажем, как через равные интервалы времени изменяется температура и при этом увели чивается высота окрашенной жидкости.

        На диаграмме 1 показано, как в течение 50 мин температура увеличивалась с tн  = 6,4 °С до tк = 17,1 °С.

      Специально стакан не нагревали, вода нагревалась за счёт теплообмена с окружающей средой:

1-2 - происходил нагрев самого стакана;

2-3 - при незначительном увеличении темпера туры резко увеличивалась высота окрашенной жид кости, т.к. стакан, вероятно, уже нагрелся до тем пературы окружающей среды и отбираемое из ок ружающей среды тепло шло на нагревание воды;

3~8 - процесс диффузии шёл почти равномерно.

     За 50 мин вода окрасилась не полностью. Это говорит о том, что диффузия зависит от температу ры. Интенсивный теплообмен с окружающей сре дой почти закончился. Количества энергии, посту пающей из окружающей среды, недостаточно для ускорения процесса диффузии.

        На диаграмме 2 показано остывание воды че рез равные интервалы времени в течение 55 мин и изменение высоты окрашенной воды:

1-2 ~ резкое увеличение столба окрашенной жид кости. Это, вероятно, можно объяснить тем, что сначала растворяются леденцы;

2-3 - нагреваются стакан и окружающая среда, поэтому происходит понижение температуры;

3-8 — процесс диффузии происходит относительно равномерно, и за 55 мин вода в стакане окрашивает ся полностью,

VI. Выводы. Мы наблюдали процесс диффузии. Диффузия - временной процесс. Продолжительность диффузии зависит от температуры и рода вещества: чем выше температура, тем быстрее протекает про цесс диффузии. В твёрдых веществах диффузия про текает медленнее, чем в жидкостях. Явление диффу зии сопровождалось капиллярными явлениями.

VII. Заключение. Явление диффузии широко применяется на производстве, в медицине, в полу проводниковом производстве (для создания микро схем). Гемодиализ спас жизнь многим больным.

Оглавление

1. Введение
2. Цель работы
3. Оборудование
4. Проведение эксперимента 1
5. проведение эксперимента 2
6. Выводы
7. Заключение

Литература

1. «Физика для средних специальных заведений» Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов, М. «Наука», 1984 г. стр. 22
2. Газета «физика», № 18 / 2005 г, стр 45 – 46
3. «Физика. 7 кл», А.В. Перышкин, ИД «Дрофа», 2003 г.

Результат первого эксперимента

Результат второго эксперимента