Диффузия

Что произойдет с водой, если в нее обмакнуть кисть, испачканную зеленой краской? А как поведет себя консервированный воздух Патагонии или Гонолулу, если открыть запечатывающую его жестянку? Все правильно: вода станет зеленой, а воздух из банки тут же смешается с окружающей атмосферой. Оба этих события – наглядная демонстрация явления под названием диффузия. Что это такое с точки зрения физики и какие еще примеры можно найти в жизни – обсудим с экспертом.

Что такое диффузия в физике

Ученые-физики определяют диффузию так: это процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, то есть перемешивания веществ между собой. Поэтому если мы используем ложку, блендер или венчик, взбивая тесто для блинчиков, мы помогаем диффузии молока, муки и яичной массы.

Явление диффузии основано на том, что между молекулами любого вещества есть свободное пространство, а сами они беспорядочно и хаотично движутся. 

Интересный факт: беспорядочное движение молекул называют броуновским по фамилии английского ботаника Роберта Броуна. В 1827 году, наблюдая под микроскопом водную суспензию цветочной пыльцы, он заметил, что частицы непрерывно движутся.

В разных агрегатных состояниях, как мы помним, молекулы движутся с разной скоростью: в газах – быстро, в жидкостях – медленнее, а в твердых телах и вовсе колеблются на своих местах в кристаллической решетке. Далее мы разберемся, как этот и другие факторы влияют на интенсивность процесса диффузии, и узнаем, подвержены ли ей твердые тела.

Полезная информация о диффузии

Диффузия в газах

Молекулы газов расположены на значительном расстоянии друг от друга и движутся с большой скоростью, а значит, и смешиваться газы будут быстрее любых других веществ. При этом процесс диффузии будет направлен на то, чтобы получившаяся смесь стала однородной.

Примеры

Яркий пример диффузии в газах – аромат свежеприготовленного шашлыка или горячей пиццы, доносящийся из рюкзака пробегающего мимо курьера. Сначала он будет чувствоваться достаточно сильно, но скоро развеется. Воздух, напитанный вкусным запахом, быстро смешается с остальным, не содержащим в себе ароматных частиц.

Из-за явления диффузии существует возможность отравления бытовым газом: он токсичен и очень быстро распространяется по всему помещению. В целях безопасности в него добавляют пахучее вещество, едкий запах которого позволит вовремя заметить утечку.

это интересно

Теплопроводность

Почему зимой нельзя лизать качели и греют ли нас валенки и пуховики?

Подробнее

Диффузия в жидкостях

Частицы жидкости также не стоят на своих местах, хотя и движутся медленнее, чем молекулы газа, а значит, и диффузия займет большее время. Не стоит забывать, что с точки зрения физики к жидкостям относится не только то, что течет, как вода, но и тягучие вещества. Например, мед, плавленый сыр или тесто. Чем больше густота и вязкость, тем медленнее будет идти процесс.

Примеры

Диффузию в жидкостях легко иллюстрировать наглядными примерами, так как мы часто сталкиваемся с ней в жизни. Молоко смешивается с эспрессо, мед растворяется в чае, растекается в луже растаявшее мороженое. Все эти процессы, кстати, произойдут и без дополнительного воздействия. Так, чай станет сладким, даже если не перемешивать его ложкой, хотя на это и уйдет довольно много времени.

Уточним, что диффузия разных по плотности жидкостей происходит медленнее, чем примерно одинаковых. Поэтому бензин растечется по воде радужной пленкой, но не смешается с ней сразу, а сироп, наоборот, сначала осядет на дно напитка.

Диффузия в твердых телах

Несмотря на то что молекулы твердых тел не перемещаются в пространстве и лишь колеблются на своих местах в кристаллических решетках, диффузия в них все-таки возможна. Но расстояния между частицами в этом случае очень небольшие, и чтобы произошло смешение, требуется продолжительное время.

Во взаимодействие могут вступать и вещества в разных агрегатных состояниях. Например, сухие твердые и жидкость: вода, масло или спирт. Так растворяются в бульоне соль и сахар, заваривается чай или создаются суспензии лекарств.

Примеры

Для заметного ускорения диффузии твердых тел необходима высокая температура. Если положить два слитка разных металлов друг на друга, то даже за несколько лет слой смешанного вещества на их стыке будет всего в пару миллиметров толщиной. А вот с повышением температуры этот процесс может занять считанные часы: если нагреть металлы до жидкого состояния, их легко перемешать, превратив в сплав. Другой известный пример – это сварка, во время которой молекулы одного куска металла накрепко соединяются с молекулами другого. 

Для неметаллов диффузия при нагревании тоже актуальна: керамическую посуду покрывают глазурью и запекают в печи при 700-1000°C, благодаря чему красивое глянцевое покрытие быстро и надежно скрепляется с глиняной основой.

Задачи по теме «Диффузия»

В школьной программе диффузию изучают без применения формул, поэтому все задачи по этой теме направлены на знание и понимание сути процесса.

Задание 1

Определите, иллюстрируют ли следующие примеры диффузию:

1. Горячий пар из носика чайника поднимается к потолку.
2. Масло с лежащим в нем стручком перца чили становится острым.
3. Ювелир создает сплав меди и олова для получения бронзы.

Задание 2

Определите, ускоряют или замедляют диффузию следующие факторы.

1. Нагревание диффундирующих жидкостей.
2. Встряхивание сосуда, в котором проходит процесс.
3. Охлаждение веществ, участвующих в диффузии.
4. Увеличение концентрации диффундирующего вещества, например добавление дополнительной ложки сахара в чай.

Ответы к задачам

Проверьте себя, воспользовавшись ответами.

Задание 1

1. Нет. Этот пример иллюстрирует конвекцию, а не диффузию
2. Да. Мельчайшие частички острого на вкус вещества диффундируют в масле.
3. Да, ювелир перемешивает два металла с помощью их разогревания.

Задание 2

1. Повышение температуры ускоряет процесс диффузии.
2. Перемешивание и встряхивание ускоряют процесс и вызывают так называемую принудительную диффузию.
3. Понижение температуры снижает скорость диффузии.
4. Чем больше различие в концентрации веществ, тем выше скорость процесса, а значит, добавление сахара ускорит диффузию.

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Юлия Крутова, учитель физики средней общеобразовательной школы №16 (Московская область, Орехово-Зуевский городской округ).