固体、液体、気体中の拡散：定義、条件

物理学プロセスにおける数多くの現象の中で普及は、最も簡単で簡単なものの1つを指します。結局のところ、毎朝、芳香のある紅茶やコーヒーを自分で用意して、実際にこの反応を観察する機会があります。このプロセスと、異なる集約状態でのその発生状況について、さらに詳しく調べてみましょう。

拡散とは何ですか？

この言葉は、ある物質の分子または原子が他の物質の類似の構造単位の間に浸透することを指します。この場合、透過性化合物の濃度は調整される。

このプロセスは初めて1855年にドイツの科学者アドルフ・フィックによって詳細に記述されました。

この用語の名前は、ラテン語の名詞のdiffusio（相互作用、分散、分布）に由来しています。

流体拡散

考えられるプロセスは、3つの凝集状態のすべての物質、すなわち気体、液体および固体で起こり得る。この実践的な例を見つけるには、キッチンを調べるだけです。

ストーブの調理ボルシェはその一つです。 分子の温度の作用下で、グルコースベタニン（ビートがこのような飽和緋色を有する物質）は、水分子と均一に反応し、独特のブルゴーニュ色合いを与える。この場合は、液体中の拡散の一例である。

ボルシェに加えて、このプロセスはお茶またはコーヒーのカップ。これらの飲料の両方は、水に溶解する醸造またはコーヒー粒子がその分子間に均一に広がり、着色するという事実のために、そのような均一な飽和色を有する。同じ原理で、90年代に人気のあったインスタント・ドリンクのすべてが、Yupi、Invite、Zukoのアクションに組み込まれています。

ガスの相互浸透

キッチンでのプロセスの現れ方をさらに見直すために、ダイニングテーブルの新鮮な花束から生まれる心地よい香りを嗅ぎ、楽しむことは価値があります。なぜこれが起こっているのですか？

臭気を伝達する原子および分子は、能動的な動きをしており、その結果、すでに空気中に含まれている粒子と混合され、部屋の容積全体に均一に分散される。

これはガス中の拡散の現れである。空気の吸入は、調理中の新鮮なボルシチの美味しいにおいと同様に、考慮中のプロセスを指すことにも注意してください。

固体中での拡散

花が立っているキッチンテーブルは、明るい黄色のテーブルクロスで覆われています。それは固体を通す拡散能力のために同様の色合いを受けました。

キャンバスに均一な色合いを与えるプロセスは、以下のようにいくつかの段階で行われます。

1. イエロー顔料粒子は染色容器内で繊維質材料に向かって拡散した。
2. その後、それらは染色された布地の外面に吸収された。
3. 次のステップは再び染料の拡散であったが、今度はウェブの繊維の内部にある。
4. 最終的に、布は顔料粒子を固定し、したがって染色する。

金属中のガス拡散

通常、このプロセスについて言えば、同じ凝集状態の物質の相互作用。例えば、固体、固体の拡散。この現象を証明するために、2つの金属板を一緒にプレスして（金と鉛）実験を行った。分子の相互侵入にはかなりの時間がかかります（5年で1ミリメートル）。このプロセスは、異常な装飾を行うために使用されます。

しかしながら、異なる凝集状態の化合物もまた拡散し得る。例えば、固体中に気体が拡散する。

実験の過程で、同様のプロセスが原子状態で起こることが証明された。それを有効にするには、原則として、温度と圧力を大幅に上げる必要があります。

このような固体中のガス拡散の例は水素腐食である。それは、水素原子（H₂高温（200〜650℃）の作用下で、構造金属粒子間に浸透する。

水素に加えて、固体拡散酸素などのガスも発生する可能性があります。目に見えないこのプロセスは、金属構造がそのために崩壊する可能性があるため、大きな害を及ぼします。

金属中の液体の拡散

しかし、気体分子だけでなく、液体にも浸透することができます。水素の場合と同様に、このプロセスはほとんどの場合、腐食（金属の場合）につながります。

固体中の液体の拡散の古典的な例は、水の影響下での金属の腐食（H₂O）または電解質溶液である。ほとんどの場合、このプロセスは錆びるほど知られています。水素の腐食とは異なり、実際にはより頻繁に遭遇しなければならない。

拡散加速の条件。拡散係数

考慮中のプロセスが発生する可能性のある物質を理解した上で、その発生状況を知ることは価値がある。

まず第一に、拡散の速度は相互作用する物質の凝集状態。反応が起こる材料の密度が高いほど、速度は遅くなる。

これに関して、液体および気体中の拡散は、固体よりも常により積極的に起こる。

例えば、過マンガン酸カリウム結晶KMnO_4（過マンガン酸カリウム_） 水を投げれば、彼女は数分間美しい紅色を与えるでしょう。しかし、KMnO結晶を振りかけると₄ 一杯の氷を冷凍庫に入れて、数時間後に過マンガン酸カリウムは凍結したHを完全に染めることができません₂O.

前の例から、拡散の条件について別の結論を引き出すことができます。凝集状態に加えて、粒子の相互侵入速度も温度の影響を受ける。

考察中のプロセスの依存性を考慮するために、そのような概念を拡散係数として知ることは価値がある。これは速度の定量的な特性です。

ほとんどの公式では、それは大きなラテン文字Dの助けを借りて表され、SIシステムでは毎秒平方メートル（m²/ s）で測定され、時には毎秒センチメートルで測定されます²/ m）。

拡散係数は物質の量に等しい（長さの単位に等しい距離に位置する）両面の密度の差が1に等しいという条件で、単位時間にわたって表面の単位を通して散乱される。 Dを決定する基準は、粒子の分散プロセスが起こる物質の性質およびその種類である。

温度に対する係数の依存性は、アレニウス方程式を用いて記述することができる。D = D_0exp（-E / TR）である。

上式において、Eはプロセスを活性化するのに必要な最小エネルギーであり、 T - 温度（ケルビンで測定、摂氏ではない）。 Rは理想気体の一定の気体特性である。

上記のすべてに加えて、速度ガス中の液体は、圧力および放射線（誘導性または高周波）の影響を受ける。加えて、多くは、触媒物質の存在に依存し、しばしば粒子の活性分散の開始の引き金として作用する。

拡散方程式

この現象は、偏微分方程式の特定のタイプです。

彼の目標は集中関係を見つけることです。（拡散する）空間の大きさや座標、時間などから物質を抽出する。この場合、指定された係数は反応のための媒体の透過性を特徴付ける。

ほとんどの場合、拡散方程式は次のように書かれます。∂φ（r、t）/∂t=∇x [D（φ、r）∇φ（r、t）]

その中で、φ（tおよびr）は時刻tにおける点rにおける散乱物質の密度である。 D（φ、r） - 点rでの密度φでの拡散汎化係数。

∇は、座標による成分が偏微分に属するベクトル微分演算子です。

拡散係数が密度に依存する場合、式は非線形である。そうでない場合、線形です。

異なる環境における拡散の定義とこのプロセスの特徴を考慮して、それは正と負の両面を有することに留意することができる。