Di antara banyak fenomena dalam fisika, proses difusi adalah salah satu yang paling sederhana dan paling mudah dipahami. Lagi pula, setiap pagi, menyiapkan teh atau kopi yang harum, seseorang memiliki kesempatan untuk mengamati reaksi ini dalam praktik. Mari pelajari lebih lanjut tentang proses ini dan kondisi untuk kemunculannya di berbagai keadaan agregat.
Apa itu difusi
Kata ini mengacu pada penetrasi molekul atau atom dari satu zat antara unit struktural yang serupa dari yang lain. Dalam hal ini, konsentrasi senyawa penembus diratakan.
Proses ini pertama kali dijelaskan secara rinci oleh ilmuwan Jerman Adolf Fick pada tahun 1855
Nama istilah ini dibentuk dari kata benda verbal Latin difusio (interaksi, dispersi, distribusi).
Difusi dalam cairan
Proses yang sedang dipertimbangkan dapat terjadi dengan zat dalam ketiga keadaan agregasi: gas, cair dan padat. Untuk contoh praktisnya, lihat sajadapur.
Stove-boiled borscht adalah salah satunya. Di bawah pengaruh suhu, molekul glukosin betanin (zat yang membuat bit memiliki warna merah tua yang kaya) bereaksi secara merata dengan molekul air, memberikan warna merah anggur yang unik. Kasus ini adalah contoh difusi dalam cairan.
Selain borscht, proses ini juga bisa dilihat pada segelas teh atau kopi. Kedua minuman ini memiliki warna yang kaya dan seragam karena fakta bahwa daun teh atau partikel kopi, yang dilarutkan dalam air, tersebar merata di antara molekul-molekulnya, mewarnainya. Aksi semua minuman instan populer tahun sembilan puluhan dibangun di atas prinsip yang sama: Yupi, Undang, Zuko.
Interpenetrasi gas
Melanjutkan untuk melihat lebih jauh manifestasi proses yang dimaksud di dapur, ada baiknya mengendus dan menikmati aroma menyenangkan yang terpancar dari buket bunga segar di atas meja makan. Mengapa ini terjadi?
Atom dan molekul pembawa bau bergerak aktif dan, sebagai akibatnya, bercampur dengan partikel yang sudah ada di udara, dan tersebar cukup merata di volume ruangan.
Ini adalah manifestasi dari difusi dalam gas. Perlu dicatat bahwa menghirup udara juga termasuk dalam proses yang sedang dipertimbangkan, serta bau yang menggugah selera dari borscht yang baru dimasak di dapur.
Difusi dalam padatan
Meja dapur dengan bunga-bunga ditutupi dengan taplak meja kuning cerah. Dia menerima warna yang sama berkatkemampuan difusi untuk melewati padatan.
Proses memberikan warna yang seragam pada kanvas berlangsung dalam beberapa tahap sebagai berikut.
- Partikel pigmen kuning menyebar di tangki tinta menuju bahan berserat.
- Mereka kemudian diserap oleh permukaan luar kain yang diwarnai.
- Langkah selanjutnya adalah sekali lagi untuk menyebarkan pewarna, tetapi kali ini ke dalam serat-serat jaring.
- Pada akhirnya, kain memperbaiki partikel pigmen, sehingga menjadi berwarna.
Difusi gas dalam logam
Biasanya, berbicara tentang proses ini, pertimbangkan interaksi zat dalam keadaan agregasi yang sama. Misalnya, difusi dalam padatan, padatan. Untuk membuktikan fenomena ini, percobaan dilakukan dengan dua pelat logam ditekan satu sama lain (emas dan timah). Interpenetrasi molekulnya membutuhkan waktu yang cukup lama (satu milimeter dalam lima tahun). Proses ini digunakan untuk membuat perhiasan yang tidak biasa.
Namun, senyawa dalam keadaan agregat yang berbeda juga mampu berdifusi. Misalnya, ada difusi gas dalam padatan.
Selama percobaan terbukti bahwa proses seperti itu terjadi dalam keadaan atom. Untuk mengaktifkannya, sebagai aturan, Anda memerlukan peningkatan suhu dan tekanan yang signifikan.
Contoh difusi gas seperti itu dalam padatan adalah korosi hidrogen. Itu memanifestasikan dirinya dalam situasi di manaAtom hidrogen (Н2) yang muncul selama beberapa reaksi kimia di bawah pengaruh suhu tinggi (dari 200 hingga 650 derajat Celcius) menembus di antara partikel struktural logam.
Selain hidrogen, difusi oksigen dan gas lainnya juga dapat terjadi pada padatan. Proses ini, yang tidak terlihat oleh mata, sangat merugikan, karena struktur logam dapat runtuh karenanya.
Difusi cairan dalam logam
Namun, tidak hanya molekul gas yang dapat menembus zat padat, tetapi juga zat cair. Seperti dalam kasus hidrogen, paling sering proses ini menyebabkan korosi (bila menyangkut logam).
Contoh klasik difusi cairan dalam padatan adalah korosi logam di bawah pengaruh air (H2O) atau larutan elektrolit. Untuk sebagian besar, proses ini lebih akrab dengan nama berkarat. Tidak seperti korosi hidrogen, dalam prakteknya harus dihadapi lebih sering.
Kondisi untuk mempercepat difusi. Koefisien difusi
Setelah berurusan dengan zat di mana proses yang sedang dipertimbangkan dapat terjadi, ada baiknya mempelajari kondisi terjadinya.
Pertama-tama, kecepatan difusi bergantung pada keadaan agregat zat yang berinteraksi. Semakin besar densitas bahan tempat reaksi terjadi, semakin lambat lajunya.
Dalam hal ini, difusi dalam zat cair dan gas akan selalu lebih aktif daripada zat padat.
Misalnya, jika kristalpotasium permanganat KMnO4 (potassium permanganate) dibuang ke dalam air, mereka akan memberikan warna raspberry yang indah dalam beberapa menit Warna. Namun, jika Anda menaburkan kristal KMnO4 pada sepotong es dan memasukkan semuanya ke dalam freezer, setelah beberapa jam, kalium permanganat akan tidak dapat sepenuhnya mewarnai H 2O. yang beku
Dari contoh sebelumnya, satu kesimpulan lagi tentang kondisi difusi dapat ditarik. Selain keadaan agregasi, suhu juga mempengaruhi laju interpenetrasi partikel.
Untuk mempertimbangkan ketergantungan proses yang sedang dipertimbangkan, ada baiknya mempelajari konsep seperti koefisien difusi. Ini adalah nama karakteristik kuantitatif dari kecepatannya.
Dalam kebanyakan rumus, ini dilambangkan dengan huruf Latin kapital D dan dalam sistem SI diukur dalam meter persegi per detik (m² / s), terkadang dalam sentimeter per detik (cm2 /m).
Koefisien difusi sama dengan jumlah materi yang tersebar melalui permukaan satuan selama satuan waktu, asalkan perbedaan kerapatan pada kedua permukaan (terletak pada jarak yang sama dengan satuan panjang) sama dengan satu. Kriteria yang menentukan D adalah sifat-sifat zat tempat terjadinya proses penghamburan partikel itu sendiri, dan jenisnya.
Ketergantungan koefisien pada suhu dapat dijelaskan dengan menggunakan persamaan Arrhenius: D=D0exp(-E/TR).
Dalam formula yang dipertimbangkan E adalah energi minimum yang diperlukan untuk mengaktifkan proses; T - suhu (diukur dalam Kelvin, bukan Celcius); R-karakteristik konstanta gas dari gas ideal.
Selain semua hal di atas, laju difusi dalam padatan, cairan dalam gas dipengaruhi oleh tekanan dan radiasi (induktif atau frekuensi tinggi). Selain itu, banyak tergantung pada keberadaan zat katalitik, seringkali bertindak sebagai pemicu dimulainya dispersi aktif partikel.
Persamaan difusi
Fenomena ini adalah bentuk khusus dari persamaan diferensial parsial.
Tujuannya adalah untuk menemukan ketergantungan konsentrasi suatu zat pada ukuran dan koordinat ruang (di mana ia berdifusi), serta waktu. Dalam hal ini, koefisien yang diberikan mencirikan permeabilitas media untuk reaksi.
Paling sering, persamaan difusi ditulis sebagai berikut: (r, t)/∂t=x [D(φ, r) (r, t)].
Di dalamnya (t dan r) adalah rapat massa zat penghambur di titik r pada waktu t. D (φ, r) - koefisien difusi umum pada kerapatan di titik r.
∇ - operator diferensial vektor yang komponennya merupakan turunan parsial dalam koordinat.
Ketika koefisien difusi bergantung pada kerapatan, persamaannya adalah non-linier. Bila tidak - linier.
Dengan mempertimbangkan definisi difusi dan ciri-ciri proses ini di lingkungan yang berbeda, dapat dicatat bahwa proses ini memiliki sisi positif dan negatif.
