Исследовательская работа - Ya

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
Лицей №87 имени Л.И. Новиковой
Исследовательская работа
Явление диффузии и ее роль в жизни человека.
Выполнила: Кордюкова Мария,
ученица 8 В класса
Научный руководитель :Овсянникова А.А.,
учитель физики
высшей категории
Н.Новгород
2013
Содержание
Стр
Введение …………………………………………………………...1
ГЛАВА1 Теоретическая часть. Понятие явления диффузии ….4
1.1 Диффузия, её виды……………………………………….. …...4
1.2 История открытия диффузии……………………………….....6
ГЛАВА 2. Исследовательская часть. От чего зависит скорость
диффузии? …………………………………………………………8
2.1. От чего зависит скорость диффузии?......................................8
2.2. Практическое применение в жизни человека……………….10
2.3. Вредные качества диффузии………………………...…… ..14
Заключение………………………………………………………...15
Список использованной литературы…………………………….16
2
Введение
Существует множество различных явлений в природе. Например,
плавление, кристаллизация, деформация, трение и т.п. Сегодня,
мы
рассмотрим одно из интереснейших и важных явлений - диффузию. Данную
тему я считаю актуальной, особенно в наши дни. Ведь даже самые
элементарные вещи объясняются данным явлением. Например, заваривание
чая, цементация, изготовление варенья, засолка овощей. Диффузия является
одним из важнейших технологических процессов при изготовлении любых
видов электронных приборов и микросхем.
Цель моей работы: расширить и углубить знания о диффузии, выяснить
от чего зависит скорость диффузии, ее практическое применение в жизни
человека, а так же выяснить положительные и отрицательные стороны
явления диффузии.
Задачи:
1. Найти необходимый материал в литературе, Интернет-ресурсах,
изучить и проанализировать полученную информацию.
2. Описать и спроектировать опыты, изучающие явление диффузии.
3. Выяснить значение диффузии.
4. Сделать вывод.
3
ГЛАВА1 Теоретическая часть. Понятие
явления диффузии
1.1. Диффузия и ее виды.
Диффузия (лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание,
взаимодействие) - процесс взаимного проникновения молекул одного
вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному
выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В некоторых
ситуациях одно из веществ уже имеет выровненную концентрацию и говорят
о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества
происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой
концентрацией (против градиента концентрации) 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 "переходят" из области одного металла в область другого.
Обычно под диффузией понимают процессы, сопровождающиеся
переносом материи, однако иногда диффузионными называют также другие
процессы переноса: теплопроводность, вязкое трение и т.п.
4
Существует несколько классификацией диффузии по группам:
 Атомное распространение;
 Коллективное распространение, распространение большого
количества (возможно взаимодействующих) частиц;
 Выход газа через маленькие отверстия;
 Электронное распространение, приводящее к электрическому
току;
 Газообразное распространение, используемое для разделения
изотопа;
 Выравнивание высокой температуры;
 Распространение
импульса,
например,
распространение
гидродинамической скоростной области;
Так же различают диффузию и самодиффузию.
Диффузией называется самопроизвольное проникновение молекул одного
вещества в промежутки между молекулами другого вещества. При этом
происходит перемешивание частиц. Если плотность какого-либо одного и
того же вещества неодинакова в разных частях объема, то наблюдается
явление самодиффузии.
Самодиффузией называется процесс выравнивания плотности (или
пропорциональной ей концентрации)одного и того же вещества. Диффузия
и самодиффузия происходят благодаря тепловому движению молекул,
которое при неравновесных состояниях создает потоки вещества.
Самодиффузия,частный случай диффузии в чистом веществе или растворе
постоянного состава, при котором диффундируют собственные частицы
вещества. При этом атомы, участвующие в диффузионном движении,
обладают одинаковыми химическими свойствами, но могут различаться по
своим физическим характеристикам (составом атомного ядра). При различии
изотопного состава вещества за процессом С. можно наблюдать, применяя
радиоактивные изотопы или анализируя изотопный состав при помощи массспектрометров.
Изменение
концентрации
данного
изотопа
в
рассматриваемом объёме вещества в зависимости от времени описывается
обычными уравнениями диффузии, а скорость процесса характеризуется
соответствующим коэффициентом . Диффузионные перемещения частиц
твёрдого тела могут приводить к изменению его формы и к другим явлениям,
если на образец длительно действуют такие силы, как поверхностное
натяжение, сила тяжести, упругие силы, электрические силы и т. д.
5
1.2. История открытия диффузии
При наблюдении в микроскопе взвеси цветочной пыльцы в воде Роберт
Броун наблюдал хаотичное движение частиц, возникающее «не от движения
жидкости и не от ее испарения». Видимые только под микроскопом
взвешенные частицы размером 1 мкм и менее совершали неупорядоченные
независимые движения, описывая сложные зигзагообразные траектории.
Броуновское движение не ослабевает со временем и не зависит от
химических свойств среды; его интенсивность увеличивается с ростом
температуры среды и с уменьшением ее вязкости и размеров частиц. Даже
качественно объяснить причины броуновского движения удалось только
через 50 лет, когда причину броуновского движения стали связывать с
ударами молекул жидкости о поверхность взвешенной в ней частицы.
Первая количественная теория броуновского движения была дана А.
Эйнштейном и М. Смолуховским в 1905-06 гг. на основе молекулярно-
кинетической теории.
Было показано, что случайные блуждания броуновских частиц связаны с
их участием в тепловом движении наравне с молекулами той среды, в
которой они взвешены. Частицы обладают в среднем такой же кинетической
энергией, но из-за большей массы имеют меньшую скорость. Теория
броуновского движения объясняет случайные движения частицы действием
случайных сил со стороны молекул и сил трения. Согласно этой теории,
молекулы жидкости или газа находятся в постоянном тепловом движении,
причем импульсы различных молекул не одинаковы по величине и
направлению. Если поверхность частицы, помещенной в такую среду, мала,
как это имеет место для броуновской частицы, то удары, испытываемые
частицей со стороны окружающих ее молекул, не будут точно
компенсироваться. Поэтому в результате «бомбардировки» молекулами
броуновская частица приходит в беспорядочное движение, меняя величину и
направление своей скорости примерно 1014 раз в сек. Из этой теории
следовало, что, измерив смещение частицы за определенное время и зная ее
радиус и вязкость жидкости можно вычислить число Авогадро.
Выводы теории броуновского движения были подтверждены
измерениями Ж. Перрена и Т. Сведберга в 1906 г. На основе этих
соотношений были экспериментально определены постоянная Больцмана и
постоянная Авогадро. При наблюдении броуновского движения фиксируется
6
положение частицы через равные промежутки времени. Чем короче
промежутки времени, тем более изломанной будет выглядеть траектория
движения частицы. Закономерности броуновского движения служат
наглядным подтверждением фундаментальных положений молекулярнокинетической теории. Было окончательно установлено, что тепловая форма
движения материи обусловлена хаотическим движением атомов или
молекул, из которых состоят макроскопические тела.
Теория броуновского движения сыграла важную роль в обосновании
статистической механики, на ней основана кинетическая теория коагуляции
(перемешивания) водных растворов. Помимо этого, она имеет и
практическое значение в метрологии, так как броуновское движение
рассматривают как основной фактор, ограничивающий точность
измерительных приборов. Например, предел точности показаний зеркального
гальванометра определяется дрожанием зеркальца, подобно броуновской
частице бомбардируемого молекулами воздуха. Законами броуновского
движения определяется случайное движение электронов, вызывающее шумы
в электрических цепях. Диэлектрические потери в диэлектриках объясняются
случайными движениями молекул-диполей, составляющих диэлектрик.
Случайные движения ионов в растворах электролитов увеличивают их
электрическое сопротивление.
7
Глава 2.Исследовательская часть. От чего
зависит скорость диффузии?
2.1. От чего зависит скорость диффузии?
При движении частицы в веществе, она постоянно сталкивается с его
молекулами. Это одна из причин, почему в обычных условиях диффузия идёт
медленнее обычного движения. От чего же зависит скорость диффузии?
Во-первых, от агрегатного состояния вещества.
Например, очень гладко отшлифованные пластинки свинца и золота кладут
одна на другую и ставят на них некоторый груз. (Пластинку золота, как более
тяжелую, располагают внизу.) При комнатной температуре (20 °С) за 4—5 лет
золото и свинец взаимно проникают друг в друга на расстояние около 1 мм
В жидкостях процесс диффузии будет происходить быстрее, чем в твердых
телах, а в газах быстрее, чем в жидкостях.
Во-вторых, от плотности жидкости.
Проведем опыт, доказывающий это.
Приборы: 2 стакана с водой(один из стаканов с соленой водой),
марганцовка, секундомер.
8
Из опыта мы видим, что в стакане с соленой водой(первый стакан), чья
плотность больше (1020 кг/м3) диффузия происходит медленнее, чем в
стакане
с
водой
с
меньшей
плотностью(1000
кг/м3).
В-третьих, от температуры.
Проведем опыт, доказывающий, что скорость диффузии увеличивается с
ростом температуры.
Приборы и материалы: 2 стакана с водой, марганцовка, термометр,
секундомер.
В двух стаканах налита вода, но в одном холодная(первый стакан), а в
другом – горячая. Опустим одновременно в стаканы несколько крупинок
марганцовки. Нетрудно заметить, что в горячей воде марганцовка быстрее
окрашивает воду, диффузия протекает быстрее. Скорость диффузии тем
больше, чем больше температура, так как молекулы взаимодействующих тел
имеют высокую скорость.
9
В-четвертых, от скорости потоков воздуха(наличия ветра).
Почему мы чувствуем запах? Распространение запаха объясняется
движением молекул. Это движение носит непрерывный и беспорядочный
характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха,
молекулы духов много раз меняют направление своего движения и,
беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате.
Чем выше скорость потока воздуха, тем быстрее протекает диффузия.
Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и
медленнее всего в твёрдых телах. Дело в том, что в газах и жидкостях
основной вид теплового движения частиц приводит к их перемешиванию, а в
твердых телах, в кристаллах, где атомы совершают малые колебания около
положения узла решётки, нет.
2.2. Практическое применение явления диффузии в жизни человека.
Диффузия находит широкое применение в промышленности
повседневной жизни.
На явлении диффузии основана диффузионная сварка металлов.
и
10
Методом диффузионной сварки без применения припоев, электродов и
флюсов соединяют между собой металлы, неметаллы, металлы и неметаллы,
пластмассы. Детали помещают в закрытую сварочную камеру с сильным
разряжением, сдавливают и нагревают до 800 градусов. При этом происходит
интенсивная взаимная диффузия атомов в поверхностных слоях
контактирующих материалов. Диффузионная сварка применяется в основном
в электронной и полупроводниковой промышленности, точном
машиностроении.
Для извлечения растворимых веществ из твердого измельченного
материала применяют
диффузионный
аппарат. Такие
аппараты
распространены
главным образом в свеклосахарном
производстве, где их используют для
получения сахарного сока из свекловичной
стружки, нагреваемой вместе с
водой.
Существенную роль в работе ядерных
реакторов играет диффузия нейтронов, то есть
распространение нейтронов в веществе,
сопровождающееся многократным изменением
направления и скорости их движения в результате столкновения с ядрами
атомов. Диффузия нейтронов в среде аналогична диффузии атомов и молекул
в газах и подчиняется тем же
закономерностям.
11
В результате диффузии носителей в
полупроводниках возникает электрический ток,
Перемещение
носителей
заряда
в
полупроводниках обусловлено неоднородностью
их концентрации. Для создания, например,
полупроводникового
диода
в
одну
из
поверхностей германия вплавляют индий.
Вследствие диффузии атомов индия в глубь
монокристалла германия в нем образовывается рn - переход, по которому может идти значительный ток при минимальном
сопротивлении.
На явлении диффузии основан процесс металлизации - покрытия
поверхности изделия слоем металла или сплава для сообщения ей
физических, химических и механических свойств, отличных от свойств
металлизируемого материала.
Применяется для защиты изделий от коррозии, износа, повышения
контактной электрической проводимости, в декоративных целях, так, для
повышения твердости и жаростойкости стальных деталей применяют
цементацию.
Она
заключается
в
том,
что
стальные детали помещают в ящик с графитовым порошком, который
устанавливают в термической печи. Атомы углерода вследствие диффузии
проникают в поверхностный слой деталей. Глубина проникновения зависит
от температуры и времени выдержки деталей в термической печи.
Диффузия также широко распространена в легкой промышленности.
Диффузия широко используется в технике для повышения
жаростойкости, твердости и прочности деталей машин. Так, например, для
повышения твердости и износоустойчивости деталей машин осуществляют
так называемую цементацию, сущность которой заключается в том, что
детали помещают в ящики, наполненные порошкообразным углеродом, затем
помещают в термическую печь и выдерживают в ней определенное время.
12
Молекулы углеродом проникают между атомами
(молекулами) поверхностного слоя стальной детали, образуя слои цементита.
Чем выше температура печи и время выдержки деталей в ней, тем больше
глубина науглероженного слоя металла. Также диффузия применяется для
сглаживания
резких
цветовых
переходов.
Выводы:
Мы видим, как велико значение диффузии в техники, производстве,
медицине, при обработке материалов и т.д., а существование живых
организмов было бы невозможно, если бы не было этого явления. К
сожалению, приходится бороться с отрицательным проявлением этого
явления, но положительных факторов намного больше и поэтому мы говорим
об огромном значении диффузии в природе и технологиях.
Природа широко использует возможности, заложенные в процессе
диффузионного проникновения, играет важнейшую роль в поглощении
питания
и
насыщении
кислородом
крови.
Диффузия оказывает влияние на протекание или определяет механизм и
кинетику химических реакций ,а также многие физико-химические процессы
и явления: мембранных, испарения, конденсации, кристаллизации,
растворения, набухания, горения, каталитических, хроматографических,
люминесцентных, электрических и оптических в полупроводниках,
замедления
нейтронов
в
ядерных
реакторах
и
т.
д.
Диффузия служит основой многих распространенных технических операций:
спекания
порошков,
химико-термической
обработки
металлов,
гомогенизации сплавов, металлизации и сварки материалов, дубления кожи и
меха,
крашения
волокон;
перемещения
газов
.
Роль диффузии существенно возросла в связи с необходимостью создания
материалов с заранее заданными свойствами для развивающихся областей
техники
(ядерной
энергетики,
космонавтики,
радиационных
и
плазмохимических
процессов
и
т.
п.).
Таки образом, диффузия является важнейшим явлением в нашей жизни.
13
2.3. Вредные качества диффузии.
К сожалению, необходимо отметить и вредные проявления этого явления.
Дымовые трубы предприятий выбрасывают в атмосферу углекислый газ,
оксиды азота и серы. В настоящее время общее количество эмиссии газов в
атмосферу превышает 40 миллиардов тонн в год. Избыток углекислого газа в
атмосфере опасен для живого мира Земли, нарушает круговорот углерода в
природе, приводит к образованию кислотных дождей. Процесс диффузии
играет большую роль в загрязнении рек, морей и океанов. Годовой сброс
производственных и бытовых стоков в мире равен примерно 10 триллионов
тонн.
Загрязнение водоёмов приводит к тому, что в них исчезает жизнь, а воду,
используемую для питья, приходится очищать, что очень дорого.
Кроме того, в загрязненной воде происходят химические реакции с
выделением тепла. Температура воды повышается, при этом снижается
содержание кислорода в воде, что плохо для водных организмов. Из-за
повышения температуры воды многие реки теперь зимой не замерзают. Для
снижения выброса вредных газов из промышленных труб, труб тепловых
электростанций устанавливают специальные фильтры. Такие фильтры
установлены, например на ТЭЦ в Ленинском районе Челябинска, но
установка их стоит очень дорого. Для предупреждения загрязнения водоемов
необходимо следить за тем, чтобы вблизи берегов не выбрасывался мусор,
пищевые отходы, навоз, различного рода химикаты.
14
Заключение.
Диффузия, или броуновское движение - это беспорядочное движение
мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под
действием ударов молекул окружающей среды открытое Р. Броуном в 1827 г.
С точки зрения как физическое явление диффузия это, процесс взаимного
проникновения молекул одного вещества между молекулами 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. При этом перенос вещества происходит из области с высокой
концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента
концентрации). Диффузия служит основой многих распространенных
технических операций: спекания порошков, химико-термической обработки
металлов, гомогенизации сплавов, металлизации и сварки материалов,
дубления кожи и меха, крашения волокон; перемещения газов .
Роль диффузии существенно возросла в связи с необходимостью создания
материалов с заранее заданными свойствами для развивающихся областей
техники
(ядерной
энергетики,
космонавтики,
радиационных
и
плазмохимических процессов и т. п.). К сожалению, приходится бороться с
отрицательным проявлением этого явления, но положительных факторов
намного больше и поэтому мы говорим об огромном значении диффузии в
природе.
15
Список используемых источников и литературы
1. Б. С. Бокшейн. Атомы блуждают по кристаллу. С. 9—11
2. Яндекс.Словари › БСЭ. — 1969—1978 //
3. Диффузия в твердых телах, Х. Мерер
4. © 1997—2013. «Книги о Химии» //http://himkniga.com/enc/1416
5. Энциклопедия физики и техники
//http://femto.com.ua/articles/part_1/1086.html
6.Химик //http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1442.html
7. Материалы курса лекций для студентов 5 курса
//http://polly.phys.msu.ru/ru/education/courses/Diffusion_in_polymers.html
8. ©2010 ПоискСлов.com
9. Российская академия образованияИнститут общего среднего образования
РАО
Центр дистанционного образования "Эйдос"Материалы 2-го Всероссийского
конкурса //http://marklv.narod.ru/mkt/ris3.htm
10.
//http://www.dpnews.ru/diffuziya-innovatsii.html
11.
//http://interneturok.ru/ru/school/physics/7-klass/pervonachalnye-svedeniya-ostroenii-vewestva/diffuziya
12. Interneturok// https://www.google.ru/search?newwindow
13. § 48. Диффузия
// http://bookzie.com/book_741_glava_50_%C2%A7_48._Diffuzija.html
14.Очерки о диффузии в кристаллах
Гегузин Я.Е.
15/Атмосферная диффузия и загрязнение воздуха.
( Иностранная лит - ра, 1962 )
16.Дефекты и диффузия газов в кристаллах
17.Диффузия в металлах
18.Диффузия в металлах и сплавах в твердой фазе.
Герцрикен, Дехтяр ( Государственное издательство, 1960 )
16
17