Диффузия. Явление диффузии заключается в том, что происходит самопроизвольное проникновение и перемешивание частиц двух соприкасающихся газов

Явление диффузии заключается в том, что происходит самопроизвольное проникновение и перемешивание частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел; диффузия сводится к обмену масс частиц этих тел, возникает и продолжается, пока существует градиент плотности.

Взаимное перемешивание веществ есть следствие непрерывного и беспорядочного движения атомов или молекул (или других частиц) вещества. С течением времени глубина проникновения молекул в «чужое» пространство увеличивается, причем эта глубина существенно зависит от температуры: чем температура выше, тем больше скорость движения частиц вещества и тем быстрее протекает диффузия.

Представим мысленно эксперимент.

Для наблюдения явления диффузии бросим несколько крупинок краски в высокий сосуд с водой. Они опустятся на дно, и вокруг них вскоре образуется облачко окрашенной воды. Оставим сосуд в покое на несколько недель в прохладной темной комнате. Наблюдая за сосудом всё это время, мы обнаружим постепенное распространение окраски по всей высоте сосуда. Говорят, что происходит диффузия краски в воду.

Как объясняется диффузия? Частицы веществ (например, краски и воды), беспорядочно двигаясь, проникают в промежутки друг между другом. А это и означает смешивание веществ.

Однако, в тёплой комнате диффузия протекает быстрее. Например, на солнечном подоконнике диффузия краски в воду завершается заметно раньше (см. рисунки). Кстати, при повышении температуры броуновское движение также ускоряется. Что является следствием повышения температуры тела и приводит к увеличению скорости движения составляющих его частиц.

Явление диффузии для химически однородного газа подчиняется закону Фика:

(3)

где j _m — плотность потока массы — величина, определяемая массой вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х; D — диффузия (коэффициент диффузии); — градиент плотности, равный скорости изменения плотности на единицу длины х в направлении нормали к этой площадке. Знак «—» показывает, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности (поэтому знаки у j_m и — противоположны).

Диффузия D численно равна плотности потока массы при градиенте плотности, равном единице.

Согласно кинетической теории газов,

(4)

Это явление наблюдается во всех состояниях веществ: в газах, жидкостях и твердых телах. Явление диффузии играет большую роль в природе и технике. Оно способствует поддержанию однородности состава атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. На явлении диффузии основано свойство тканей пищеварительной системы животных и человека «выбора» и извлечения из пищи веществ, необходимых организму. В технике диффузию используют для извлечения различных веществ, например сахара из сырой свеклы, и др. Явление диффузии имеет место при цементации железа (при поверхностном науглероживании железных изделий).

Внутреннее трение (вязкость)

Механизм возникновения внутреннего трения между параллельными слоями газа (жидкости), движущимися с различными скоростями, заключается в том, что из-за хаотического теплового движения происходит обмен молекулами между слоями, в результате чего импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, движущегося медленнее — увеличивается, что приводит к торможению слоя, движущегося быстрее, и ускорению слоя, движущегося медленнее.

Сила внутреннего трения между двумя слоями газа (жидкости) подчиняется закону Ньютона:

(5)

где η — динамическая вязкость (вязкость); — градиент скорости, показывающий быстроту изменения скорости в направлении х, перпендикулярном направлению движения слоев; S — площадь, на которую действует сила F. Взаимодействие двух слоев согласно второму закону Ньютона можно рассматривать как процесс, при котором от одного слоя к другому в единицу времени передается импульс, по модулю равный действующей силе. Тогда выражение (5) можно представить в виде

(6)

где j_р — плотность потока импульса — величина, определяемая полным импульсом, переносимым в единицу времени в положительном направлении оси х через единичную площадку, перпендикулярную оси х; — градиент скорости. Знак «—» указывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости (поэтому знаки у j_p и — противоположны).

Динамическая вязкость η численно равна плотности потока импульса при градиенте скорости, равном единице; она вычисляется по формуле

(7)

Из сопоставления формул (1), (3) и (6), описывающих явления переноса, следует, что закономерности всех явлений переноса сходны между собой. Эти законы были установлены задолго до того, как они были обоснованы и выведены из молекулярно-кинетической теории, позволившей установить, что внешнее сходство их математических выражений обусловлено общностью лежащего в основе явлений теплопроводности, диффузии и внутреннего трения молекулярного механизма перемешивания молекул в процессе их хаотического движения и столкновений друг с другом.

Формулы (2), (4) и (7) связывают коэффициенты переноса и характеристики теплового движения молекул. Из этих формул вытекают простые зависимости между λ, D и η:

Используя эти формулы, можно по найденным из опыта одним величинам определить другие.

Дата добавления: 2014-01-11