Περιεχόμενο
- TL · DR (Πολύ μακρύ;
- Ο νόμος της διάχυσης του Graham
- Οι νόμοι της διάχυσης του Fick
- Άλλα ενδιαφέροντα γεγονότα σχετικά με τις τιμές διάχυσης
Η διάχυση λαμβάνει χώρα λόγω της κίνησης των σωματιδίων. Τα σωματίδια σε τυχαία κίνηση, όπως τα μόρια αερίων, χτυπούν το ένα στο άλλο, ακολουθώντας την κίνηση Brownian, μέχρις ότου διασκορπιστούν ομοιόμορφα σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Η διάχυση είναι τότε η ροή των μορίων από μια περιοχή υψηλής συγκέντρωσης σε μια περιοχή χαμηλής συγκέντρωσης, μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία. Εν ολίγοις, η διάχυση περιγράφει ένα αέριο, υγρό ή στερεό διασκορπισμένο σε ένα συγκεκριμένο χώρο ή σε μια δεύτερη ουσία. Τα παραδείγματα διάχυσης περιλαμβάνουν ένα άρωμα αρωμάτων που απλώνεται σε ένα δωμάτιο ή μια σταγόνα πράσινου χρωματισμού τροφίμων που διασκορπίζεται σε ένα φλιτζάνι νερό. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι υπολογισμού των ποσοστών διάχυσης.
TL · DR (Πολύ μακρύ;
Θυμηθείτε ότι ο όρος "ποσοστό" αναφέρεται στην αλλαγή μιας ποσότητας με την πάροδο του χρόνου.
Ο νόμος της διάχυσης του Graham
Στις αρχές του 19ου αιώνα, ο σκωτσέζος χημικός Thomas Graham (1805-1869) ανακάλυψε την ποσοτική σχέση που τώρα φέρει το όνομά του. Ο νόμος του Graham δηλώνει ότι ο ρυθμός διάχυσης δύο αερίων ουσιών είναι αντιστρόφως ανάλογος με την τετραγωνική ρίζα των μοριακών μαζών τους. Αυτή η σχέση έφτασε, δεδομένου ότι όλα τα αέρια που βρέθηκαν στην ίδια θερμοκρασία παρουσιάζουν την ίδια μέση κινητική ενέργεια, όπως κατανοείται στην Κινητική Θεωρία των Αέριων. Με άλλα λόγια, ο νόμος του Graham είναι μια άμεση συνέπεια των αερίων μορίων που έχουν την ίδια μέση κινητική ενέργεια όταν βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία. Για το νόμο του Graham, η διάχυση περιγράφει ανάμιξη αερίων και ο ρυθμός διάχυσης είναι ο ρυθμός αυτής της ανάμειξης. Σημειώστε ότι ο νόμος της διάχυσης του Graham ονομάζεται επίσης νόμος εξάπλωσης του Graham, επειδή η έκχυση είναι μια ειδική περίπτωση διάχυσης. Η έγχυση είναι το φαινόμενο όταν τα αέρια μόρια διαφεύγουν μέσα από μια μικροσκοπική οπή σε κενό, εκκενωμένο χώρο ή θάλαμο. Ο ρυθμός συλλογής μετρά την ταχύτητα με την οποία το αέριο μεταφέρεται σε αυτό το κενό, εκκενωμένο χώρο ή θάλαμο. Έτσι, ένας τρόπος υπολογισμού του ρυθμού διάχυσης ή του ποσοστού διάχυσης σε ένα πρόβλημα λέξης είναι να γίνουν υπολογισμοί βασιζόμενοι στον νόμο του Graham, ο οποίος εκφράζει τη σχέση μεταξύ μοριακών μαζών αερίων και των ρυθμών διάχυσης ή συλλογής τους.
Οι νόμοι της διάχυσης του Fick
Στα μέσα του 19ου αιώνα, ο γερμανικός γεννημένος γιατρός και φυσιολόγος Adolf Fick (1829-1901) διατύπωσε ένα σύνολο νόμων που διέπουν τη συμπεριφορά ενός αερίου που διαχέεται διαμέσου μιας υγρής μεμβράνης. Ο πρώτος νόμος διάχυσης του Fick δηλώνει ότι η ροή ή η καθαρή μετακίνηση σωματιδίων σε μια συγκεκριμένη περιοχή μέσα σε μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο είναι ευθέως ανάλογη της απότομης κλίσης της κλίσης. Ο πρώτος νόμος του Fick μπορεί να γραφτεί ως εξής:
ροή = -D (dC ÷ dx)
όπου (D) αναφέρεται στον συντελεστή διάχυσης και (dC / dx) είναι η κλίση (και είναι ένα παράγωγο στον λογισμό). Έτσι ο πρώτος νόμος του Fick ορίζει βασικά ότι η τυχαία κίνηση σωματιδίων από την κίνηση Brownian οδηγεί στην μετατόπιση ή διασπορά σωματιδίων από περιοχές με υψηλή συγκέντρωση σε χαμηλές συγκεντρώσεις - και ότι ο ρυθμός ολίσθησης ή ο ρυθμός διάχυσης είναι ανάλογος με την κλίση της πυκνότητας, αντίθετη κατεύθυνση προς αυτή την κλίση (η οποία αντιστοιχεί στο αρνητικό σημάδι μπροστά από τη σταθερά διάχυσης). Ενώ ο πρώτος νόμος διάχυσης του Fick περιγράφει πόση ροή υπάρχει, είναι στην πραγματικότητα ο δεύτερος νόμος διάχυσης του Fick που περιγράφει περαιτέρω τον ρυθμό διάχυσης και παίρνει τη μορφή μερικής διαφορικής εξίσωσης. Ο Δεύτερος Νόμος του Fick περιγράφεται από τον τύπο:
Τ = (1 ÷ )Χ2
που σημαίνει ότι ο χρόνος διάχυσης αυξάνεται με το τετράγωνο της απόστασης x. Ουσιαστικά, ο πρώτος και ο δεύτερος νόμος διάχυσης του Fick παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τον τρόπο με τον οποίο οι διαβαθμίσεις συγκέντρωσης επηρεάζουν τους ρυθμούς διάχυσης. Είναι ενδιαφέρον το γεγονός ότι το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον σχεδίασε ένα ditty ως μνημονικό για να βοηθήσει να θυμόμαστε πώς οι εξισώσεις του Fick βοηθούν στον υπολογισμό του ρυθμού διάχυσης: «Ο Fick λέει πόσο γρήγορα θα διαχυθεί ένα μόριο. Delta P φορές A φορές k πάνω από D είναι ο νόμος που πρέπει να χρησιμοποιήσετε .... Η διαφορά πίεσης, η επιφάνεια και η σταθερά k πολλαπλασιάζονται μαζί. Διαχωρίζονται από το φράγμα διάχυσης για τον προσδιορισμό του ακριβούς ποσοστού διάχυσης. "
Άλλα ενδιαφέροντα γεγονότα σχετικά με τις τιμές διάχυσης
Η διάχυση μπορεί να συμβεί σε στερεά, υγρά ή αέρια. Φυσικά, η διάχυση λαμβάνει χώρα ταχύτερα στα αέρια και αργότερα στα στερεά. Οι ρυθμοί διάχυσης μπορούν επίσης να επηρεαστούν από διάφορους παράγοντες. Η αυξημένη θερμοκρασία, για παράδειγμα, επιταχύνει τα ποσοστά διάχυσης. Ομοίως, το σωματίδιο που διαχέεται και το υλικό που διαχέεται μπορεί να επηρεάσει τους ρυθμούς διάχυσης. Παρατηρήστε, για παράδειγμα, ότι τα πολικά μόρια διαχέονται ταχύτερα σε πολικά μέσα, όπως το νερό, ενώ τα μη πολικά μόρια είναι μη αναμίξιμα και συνεπώς έχουν σκληρό χρόνο διάχυσης στο νερό. Η πυκνότητα του υλικού είναι ένας ακόμη παράγοντας που επηρεάζει τα ποσοστά διάχυσης. Φυσικά, τα βαρύτερα αέρια διαχέονται πολύ πιο αργά σε σύγκριση με τα ελαφρύτερα αντίστοιχά τους. Επιπλέον, το μέγεθος της περιοχής αλληλεπίδρασης μπορεί να επηρεάσει τα ποσοστά διάχυσης, που αποδεικνύεται από το άρωμα της μαγειρικής στο σπίτι διασκορπίζοντας μέσα από μια μικρή περιοχή γρηγορότερα από ότι σε μια ευρύτερη περιοχή.
Επίσης, εάν η διάχυση λαμβάνει χώρα σε σχέση με μια κλίση συγκέντρωσης, πρέπει να υπάρχει κάποια μορφή ενέργειας που διευκολύνει τη διάχυση. Εξετάστε πώς το νερό, το διοξείδιο του άνθρακα και το οξυγόνο μπορούν εύκολα να διασχίσουν τις κυτταρικές μεμβράνες με παθητική διάχυση (ή όσμωση, στην περίπτωση του νερού). Αλλά εάν ένα μεγάλο, μη-λιπιδικό διαλυτό μόριο πρέπει να διέλθει από την κυτταρική μεμβράνη, τότε απαιτείται ενεργή μεταφορά, όπου το μόριο υψηλής ενέργειας της τριφωσφορικής αδενοσίνης (ΑΤΡ) βγαίνει για να διευκολύνει τη διάχυση διαμέσου των κυτταρικών μεμβρανών.