Министерство образования и науки Республики Крым

МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УЧАЩЕЙСЯ МОЛОДЁЖИ «ИСКАТЕЛЬ»

Секция физики

Использование фотосъемки при исследовании диффузии

Работу выполнила:                                                                                                

Пигур Анастасия,

ученица 8 класса

МБОУ Новофёдоровская школа-лицей

Руководитель:

Доненко Леонид Николаевич,

учитель физики и информатики высшей категории

Новофедоровка – 2015 г.

Использование фотосъемки при исследовании диффузии

Содержание

Введение        3

Глава I. Описание процесса        5

Глава II. Исследовательская работа        11

Выводы        13

Список используемых источников        14

Введение

Диффу́зия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) – процесс  взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В некоторых ситуациях одно из веществ уже имеет выравненную концентрацию и говорят о диффузии одного вещества в другом.

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.

Все виды диффузии подчиняются одним законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню продолжительности диффузии.

Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул[2]. Скорость диффузии в связи с этим пропорциональна средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Диффузионные процессы в твёрдых телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.

Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение 235U от основной массы 238U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.

Цель данной работы – изучить диффузию в жидкости на примере процесса смешивания краски и воды.

Выполнить эксперимент, описать его и произвести некоторые расчеты, сделать выводы о проделанной работе.

При выполнении работы применялись практические и эмпирические подходы.

Глава I. Описание процесса

Бесспорным  доказательством  движения  молекул  служит  физическое  явление,  хорошо  известное  из  курса  природоведения,—  диффузия.

Зависимость диффузии от условий:

• Температура. В одном и том же кристалле при различных условиях и для различных атомов диффузия может происходить по различным механизмам с различными энергиями активации. Диффузия может быть сложным, многоступенчатым процессом, каждый из которых имеет свою температурную зависимость.

• Давление. Увеличение температуры всегда ускоряет диффузию, а давление оказывает более сложное влияние. Оно зависит от механизма диффузии. Если диффузия происходит по вакансионному механизму, то увеличение давления уменьшает содержание вакансий. Происходит это потому, что увеличение содержания вакансий увеличивает объем кристалла, давление стремится уменьшить объем кристалла и поэтому понижает содержание

вакансий, соответственно уменьшая скорость диффузии. Если диффузия происходит по межузельному механизму, то с одной стороны увеличение давления повышает содержание межузельных атомов, с другой же стороны, атомы в кристалле сближаются и перемещение между узлами затрудняется

Вращательная диффузия — процесс, при котором устанавливается или поддерживается равновесносное статистическое распределение энергии по вращательным степеням свободы ансамбля частиц или молекул. Вращательная диффузия (диффузия вращения) является аналогом обычной (трансляционной) диффузии. Для многих биофизических процессов важны характеристики случайного вращения молекул в растворе. Согласно закону равномерному распределению по степеням свободы, молекулы большего размера будут переориентироваться в растворе медленнее, чем маленькие объекты.

Следовательно, измеряя характерные времена переориентации молекул, можно судить о их общей массе и о ее распределении в объекте. При равной энергии, средний квадрат проекции угловой скорости на каждую из главных осей объекта обратно пропорционален моменту инерции по этой

оси. Откуда следует, что существует три значения характерного времени релаксации при переориентации, соответствующие каждой из трех главных осей. Некоторые из значений могут быть равны, если объект симметричен в главных осях. К примеру, шаровидные частицы имеют две характерных временных константы, отвечающие вращательной диффузии. Значения временных характеристик можно вычислить, используя факторы трения Перрона, по аналогии с соотношению Эйнштейна.

Осмос.

Явление осмоса наблюдается в тех средах, где подвижность растворителя больше подвижности растворённых веществ. Важным частным случаем осмоса является осмос через полупроницаемую мембрану. Полупроницаемыми называют мембраны, которые имеют достаточно высокую проницаемость не для всех, а лишь для некоторых веществ, в частности, для растворителя. (Подвижность растворённых веществ в мембране стремится к нулю). Если такая мембрана разделяет раствор и чистый растворитель, то концентрация растворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворенного вещества. Вследствие этого, переходы частиц растворителя из отдела, содержащего чистый растворитель, в раствор будут происходить чаще, чем в противоположном направлении.

Соответственно, объём раствора будет увеличиваться (а концентрация уменьшаться), тогда как объём растворителя будет соответственно уменьшаться.

Например, к яичной скорлупе с внутренней стороны прилегает полупроницаемая мембрана: она пропускает молекулы водыи задерживает молекулы сахара. Если такой мембраной разделить растворы сахара с концентрацией 5 и 10 % соответственно, то через нее в обоих направлениях будут проходить только молекулы воды. В результате в более разбавленном растворе концентрация сахара повысится, а в более концентрированном, наоборот, понизится. Когда концентрация сахара в обоих растворах станет одинаковой, наступит равновесие.

Растворы, достигшие равновесия, называются изотоническими. Осмос, направленный внутрь ограниченного объёма жидкости, называется эндосмосом, наружу — экзосмосом. Перенос растворителя через мембрану обусловлен осмотическим давлением. Оно равно избыточному внешнему давлению, которое следует приложить со стороны раствора, чтобы прекратить процесс, то есть создать условия осмотического равновесия.

Превышение избыточного давления над осмотическим может привести к обращению осмоса — обратной диффузии растворителя.

В случаях, когда мембрана проницаема не только для растворителя, но и для некоторых растворённых веществ, перенос последних из раствора в растворитель позволяет осуществить диализ, применяемый как способ очистки полимеров и коллоидных систем от низкомолекулярных примесей, например электролитов.

Значение осмоса. Осмос играет важную роль во многих биологических процессах. Мембрана, окружающая нормальную клетку крови, проницаема лишь для молекул воды, кислорода, некоторых из растворенных в крови питательных веществ и продуктов клеточной жизнедеятельности; для больших белковых молекул, находящихся в растворенном состоянии внутри клетки, она непроницаема. Поэтому белки, столь важные для биологических процессов, остаются внутри клетки. Осмос участвует в переносе питательных веществ в стволах высоких деревьев, где капиллярный перенос не способен выполнить эту функцию. Осмос широко используют в лабораторной технике: при определении молярных характеристик полимеров, концентрировании растворов, исследовании разнообразных биологических структур. Осмотические явления иногда используются в промышленности, например при получении некоторых полимерных материалов, очистке высоко- минерализованной воды методом «обратного» осмоса жидкостей. Клетки растений используют осмос также для увеличения объёма вакуоли, чтобы она распирала стенки клетки (тургорное давление). Клетки растений делают это путём запасания сахарозы. Увеличивая или уменьшая концентрацию сахарозы в цитоплазме, клетки могут регулировать осмос. За счёт этого повышается упругость растения в целом. С изменениями тургорного давления связаны многие движения растений (например, движения усов гороха и других лазающих растений). Пресноводные простейшие также имеют вакуоль, но задача вакуолей простейших заключается лишь в откачивании лишней воды из цитоплазмы для поддержания постоянной концентрации растворённых в ней веществ. Осмос также играет большую роль в экологии водоёмов. Если концентрация соли и других веществ в воде поднимется или упадёт, то обитатели этих вод погибнут из-за пагубного воздействия осмоса.

Использование в промышленности. Первая в мире электростанция, использующая для выработки электричества явление осмоса, открылась 24 ноября 2009 года в Норвегии. Солёная морская и пресная вода на электростанции разделены мембраной; так как концентрация солей в морской воде выше, между солёной и пресной водой развивается явление осмоса, в результате чего давление солёной воды самопроизвольно возрастает. Так как давление солёной воды подвергшейся осмосу больше, чем атмосферное давление, возникает мощный поток воды, который и приводит в действие гидротурбину,

вырабатывающую энергию.

Если  где-то в  комнате разлить ароматное вещество,  например  духи, то его  запах  в  скором  времени  будет  ощущаться повсюду. 

Это  значит,  что молекулы ароматного вещества,  двигаясь,  попадают  в  промежутки  между  молекулами  воздуха,  которым  заполнена  комната,  т.  е.  наблюдается диффузия. 

Диффузию можно наблюдать и в жидкостях. Для фиксации мной использован фотографический метод.

Рис. 1.1. Процесс диффузии раствора краски в воде при комнатной температуре.

В случае повышения  температуры скорость диффузии в  газах  также увеличивается.

Зависимость  скорости  диффузии  от  температуры  особенно  заметна  для  твердых  тел. Так, английский металлург Вильям Роберт Остин провел следующий опыт. Он наплавил тонкий  диск  золота  на  свинцовый  цилиндр  (рис. 1.2,  а) и  на несколько дней поместил  этот цилиндр в печь,  где поддерживалась температура около  400 °С.  Оказалось,  что  золото  продиффундировало через весь цилиндр  (рис.  1.2,  б); тем временем при комнатной температуре диффузия практически  не наблюдалась.

Рис. 1.2.  Опыт по наблюдению диффузии в твердых телах: а —  свинцовый цилиндр с напаян­ной золотой пластинкой; б — тот же цилиндр в конце опыта

Таким образом, мы выяснили, что чем выше температура вещества,  тем быстрее происходит диффузия,  т.  е.  молекулы  быстрее двигаются.

Довольно  сложные  эксперименты  показывают,  что  при любой  температуре  в  веществе  есть молекулы,  двигающиеся  довольно  медленно, и молекулы,  скорость которых высока. Если  количество молекул вещества,  имеющих высокую скорость,  увеличивается,  т.  е.  увеличивается средняя скорость молекул, то это значит,  что температура вещества также увеличивается.

Рис. 1.3. Схематическое изображение процесса диффузии: молекулы одной жидкости проникают в промежутки между молекулами другой и в результате со временем жидкости полностью перемешиваются

Выводы первой главы:

Атомы  и  молекулы,  из  которых  состоит  вещество,  находятся  в  непрерывном  хаотическом  движении.  

Такое  движение  называется  тепловым, поскольку  увеличение  температуры  вещества  соответствует  увеличению средней скорости движения  его молекул  (атомов).

Одним из доказательств движения частиц вещества является физическое явление,  которое называется диффузией.

Глава II. Исследовательская работа

Была проведена работа по измерению скорости диффузии в жидкости

Материал используемый при работе:

1) Сосуд с водой объемом 3 л.

2) 20ml шприц.

3) 20ml водного раствора коричневой краски.

4) Термометр.

Был взят сосуд с водой при комнатной температуре, в который вливалась коричневая краска. Данный процесс фиксировался на фотокамеру. По результатам снимков была измерена скорость диффузии вещества.

Коэффицие́нт диффу́зии – количественная  характеристика скорости диффузии, равная количеству вещества (в массовых единицах), проходящего в единицу времени через участок единичной площади (например, 1 м²) при градиенте концентрации, равном единице (соответствующем изменению 1 моль/л → 0 моль/л на единицу длины).

Коэффициент диффузии определяется свойствами среды и типом диффундирующих частиц.

Зависимость коэффициента диффузии от температуры в простейшем случае выражается законом Аррениуса:

,

где  — коэффициент диффузии [м²/с];

 — энергия активации [Дж]; 

 — универсальная газовая постоянная [Дж/К]; 

 — температура [K].

По фотографиям можно определить скорость диффуззии. Так за 300 с краска заняла практически 50% объема сосуда.

В данном случае диффузию определим экспериментально по простой формуле зависимости скорости от времени и пройденного пути.

v=s/t

При этом получены данные.

V=0,15м/5с=0,03 м/с

Что не противоречит справочным данным.

В следующей работе я хочу связать скорость диффузии с оптическими свойствами жидкостей – прозрачностью.

Выводы

Диффузия - явление проникновения частиц одного вещества в промежутки между частицами другого. Скорость диффузии зависит от температуры и состояния вещества (быстрее в газах).

Характеризует диффузию – ее скорость.

Скорость диффузии можно определить экспериментально и эмпирически. В следующей работе я хочу предложить способ с помощью фотографирования.

В данной работе были проведены фотографические опыты по наблюдению и описанию диффузии и в следующей работе я проанализирую зависимость скорости раствора и изменение прозрачности раствора.

Список используемых источников

1. Б. С. Бокшейн. Атомы блуждают по кристаллу. С. 9—11
2. J. Philibert (2005). One and a half century of diffusion: Fick, Einstein, before and beyond. Diffusion Fundamentals, 2, 1.1-1.10.
3. Перейти к: 1 2 Onsager, L. (1931). «Reciprocal Relations in Irreversible Processes. I». Physical Review 37 (4): 405–426. DOI:10.1103/PhysRev.37.405. Bibcode: 1931PhRv...37..405O.
4. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — Издание 5-е. — М.: Физматлит, 2005. — 616 с. — («Теоретическая физика», том V). — ISBN 5-9221-0054-8.
5. A.N. Gorban, H.P. Sargsyan and H.A. Wahab (2011). «Quasichemical Models of Multicomponent Nonlinear Diffusion». Mathematical Modelling of Natural Phenomena 6 (5): 184–262. DOI:10.1051/mmnp/20116509.
6. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D1%84%D1%84%D1%83%D0%B7%D0%B8%D1%8F
7. http://chem21.info/info/1644188/
8. http://www.effects.ru/science/260/index.htm
9. http://genius.pstu.ru/file.php/1/pupils_works/Polygalova_Grebenshchikova.pdf
10. http://pskgu.ru/ebooks/l10/l10_gl01_12.pdf
11. http://www.inp.nsk.su/~taskaev/univer/molecul/broun.pdf