Boja za hranu ilustrira difuziju u vodi. Difuzija je miješanje molekula uslijed njihovog slučajnog kretanja, bilo u tekućini ili plinu. Budući da molekule u hladnoj vodi imaju manje kinetičke energije nego u toploj, postupak difuzije je puno sporiji nego u toploj vodi. Ali boja za hranu također može pokazati kretanje koje nije slučajno, poput miješanja vode konvekcijom.
TL; DR (predugo; Nisam pročitao)
TL; DR: Boja za hranu dodana u središte čaše s hladnom vodom spustit će se na dno. Ako promiješate hladnu vodu ili dodate boju u toplu vodu, ona će se puno brže difundirati.
Mehanizam difuzije
Za difuziju nije potrebno miješanje, poput miješanja, iako miješanje ubrzava postupak. U slučaju bojenja hrane u vodi, voda je otapalo, dok je boja za hranu otopljena tvar. Jednom kad se pomiješaju, donose rješenje. Za difuziju je potrebno vrijeme, iako koliko vremena ovisi o kinetičkoj energiji molekula koje se nasumično poskakuju. Ovo slučajno poskakivanje - koje se naziva Brownovo gibanje - rezultat je titranja atoma, što oni rade brže i teže što su vrući. Krajnji rezultat ovih pokreta s vremenom je konačno, jednoliko rješenje.
Miješanje prema razlici u specifičnoj težini
•••Dankingphotography / iStock / Getty Images
Boja za hranu ima malo veću specifičnu težinu, odnosno relativnu gustoću, od vode, pa prije nego što stigne difundirati, obično tone u vodi. Kad je voda hladna, a brzina difuzije sporija, veći dio bojila ostaje zajedno u perjanici koja pada na dno posude. Ostavljen sam i nesmetan, mogao bi tvoriti sloj na dnu; zbog Brownova kretanja, međutim, neće postojati oštro definirana granica između vode i boje. Slučajno kretanje molekula postupno će difundirati boju u vodu. Agitacija će ubrzati proces difuzije.
Miješanje konvekcijom
Ako je posuda s vodom toplija ili hladnija od okolnog zraka, razvit će se uzorci konvektivnog protoka kako se voda približava temperaturi okoline. U slučaju hladne vode u toplom okruženju, bočne strane spremnika provode toplinu do periferije vode. Prohladna, gušća voda u središtu tone. Boja hrane dodana ovom središnjem stupcu koji tone potaknut će konvektivni tok na dno posude, ali tada će i protok odvesti uz bočne strane, natrag na vrh da bi se opet okretala. Ovaj protok služi za miješanje otopine, ubrzavajući difuziju.
Što se događa kada se voda promijeni?
Usporedite učinke topline i gustoće na difuziju boje hrane. Isprobajte usporednu usporedbu difuzije u hladnoj i toploj vodi. Difuzija će biti puno sporija u hladnoj vodi. Pokušajte otopiti pola žlice soli u vodi, a zatim ispustite boju za hranu. Bojanje će se i dalje raspršiti, ali neće potonuti jer slana voda ima veću specifičnu težinu. Pokušajte staviti izvor toplote, poput žarulje sa žarnom niti, na jednu stranu čaše i pričekajte nekoliko minuta prije nego što ispustite boju. Vozit će - i time učiniti vidljivim - konvektivni tok.