დიფუზია ხდება ნაწილაკების მოძრაობის გამო. შემთხვევითი მოძრაობის მქონე ნაწილაკები, ისევე როგორც გაზის მოლეკულები, ხვდებიან ერთმანეთს, ბრაუნიანის მოძრაობის შემდეგ, სანამ ისინი თანაბრად არ დაიშლებიან მოცემულ არეალში. დიფუზია არის მოლეკულების დინება მაღალი კონცენტრაციის ადგილიდან დაბალი კონცენტრაციისკენ, წონასწორობის მიღწევამდე. მოკლედ, დიფუზია აღწერს გაზს, თხევადს ან მყარს, რომელიც იფანტება კონკრეტულ სივრცეში ან მეორე ნივთიერებაში. დიფუზიის მაგალითები მოიცავს სუნამოს არომატს, რომელიც მთელ ოთახში ვრცელდება, ან მწვანე ფერის საკვები წვეთი იფანტება ჭიქა წყალში. დიფუზიის სიჩქარის გამოსათვლელად უამრავი გზა არსებობს.
TL; DR (ძალიან გრძელია; არ წავიკითხე)
გახსოვდეთ, რომ ტერმინი "კურსი" აღნიშნავს რაოდენობის ცვლილებას დროთა განმავლობაში.
გრეჰემის დიფუზიის კანონი
მე -19 საუკუნის დასაწყისში შოტლანდიელმა ქიმიკოსმა ტომას გრეჰემმა (1805-1869) აღმოაჩინა რაოდენობრივი კავშირი, რომელიც ახლა მის სახელს ატარებს. გრემის კანონი აცხადებს, რომ ორი გაზური ნივთიერების დიფუზიის სიჩქარე უკუპროპორციულია მათი მოლური მასების კვადრატული ფესვისა. ამ ურთიერთობას მიაღწიეს, იმის გათვალისწინებით, რომ იმავე ტემპერატურაზე ნაპოვნი ყველა გაზს აქვს იგივე საშუალო კინეტიკური ენერგია, როგორც ეს გაგებულია გაზების კინეტიკურ თეორიაში. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, გრეჰემის კანონი არის პირდაპირი შედეგი იმ აირული მოლეკულებისა, რომლებსაც აქვთ იგივე საშუალო კინეტიკური ენერგია, როდესაც ისინი იმავე ტემპერატურაზე არიან. გრემის კანონისთვის დიფუზია აღწერს გაზების შერევას და დიფუზიის სიჩქარე არის ამ შერევის სიჩქარე. გაითვალისწინეთ, რომ გრეჰემის დიფუზიის კანონს ასევე უწოდებენ გრეჰემის ეფექტურობის კანონს, რადგან ეფუზია დიფუზიის განსაკუთრებული შემთხვევაა. ეფუზია არის ფენომენი, როდესაც აირისებრი მოლეკულები მცირე ხვრელიდან ხვდება ვაკუუმში, ევაკუირებულ სივრცეში ან პალატაში. ეფუზიის სიჩქარე ზომავს სიჩქარით, რომლითაც ეს გაზი გადადის ამ ვაკუუმში, ევაკუირებულ სივრცეში ან პალატაში. ასე რომ, სიტყვის პრობლემაში დიფუზიის სიჩქარის ან ეფექტის სიჩქარის გაანგარიშების ერთ-ერთი გზაა გამოთვლების გაკეთება გრეჰემის კანონი, რომელიც გამოხატავს დამოკიდებულებას აირების მოლურ მასებსა და მათ დიფუზიას ან გამოფრქვევას შორის განაკვეთები.
ფიკის დიფუზიის კანონები
მე -19 საუკუნის შუა რიცხვებში, გერმანიაში დაბადებულმა ექიმმა და ფიზიოლოგმა ადოლფ ფიკმა (1829-1901) ჩამოაყალიბა კანონების ერთობლიობა, რომელიც არეგულირებს სითხის გარსის გავრცელებადი გაზების ქცევას. ფიკის დიფუზიის პირველი კანონი აცხადებს, რომ ნაკადი, ან ნაწილაკების წმინდა მოძრაობა კონკრეტულ არეალში კონკრეტულ დროში, პირდაპირპროპორციულია გრადიენტის ციცაბოობისა. ფიკის პირველი კანონი შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად:
ნაკადი = -D (dC ÷ dx)
სადაც (D) გულისხმობს დიფუზიის კოეფიციენტს და (dC / dx) არის გრადიენტი (და წარმოქმნილია კალკულაციაში). ასე რომ, Fick's First Law ფუნდამენტურად აცხადებს, რომ ნაწილაკების შემთხვევითი მოძრაობა ბრაუნიანის მოძრაობიდან მივყავართ ნაწილაკები მაღალი კონცენტრაციის რეგიონებიდან დაბალ კონცენტრაციებამდე - და რომ დრიფტის სიჩქარე ან დიფუზიის სიჩქარე პროპორციულია სიმკვრივის გრადიენტი, მაგრამ ამ გრადიენტის საპირისპირო მიმართულებით (რაც განაპირობებს უარყოფით ნიშანს დიფუზიის წინ მუდმივი). მიუხედავად იმისა, რომ ფიკის დიფუზიის პირველი კანონი აღწერს რამდენი ნაკადი არსებობს, სინამდვილეში ეს ფიკის მეორე კანონია დიფუზია, რომელიც შემდგომში აღწერს დიფუზიის სიჩქარეს, და მას ნაწილობრივი დიფერენციალის ფორმა აქვს განტოლება. ფიკის მეორე კანონი აღწერილია ფორმულით:
T = (1 ÷ [2D]) x2
რაც ნიშნავს, რომ დიფუზიის დრო იზრდება მანძილის კვადრატთან ერთად, x. არსებითად, ფიკის დიფუზიის პირველი და მეორე კანონი გვაწვდის ინფორმაციას იმის შესახებ, თუ როგორ მოქმედებს კონცენტრაციის გრადიენტები დიფუზიის სიჩქარეზე. საინტერესოა, რომ ვაშინგტონის უნივერსიტეტმა შეიმუშავა მიწიერი, როგორც მენომენი, რომ დაემახსოვრებინა როგორ ეხმარება ფიკის განტოლებები დიფუზიის სიჩქარის გამოთვლაში: ”ფიკი ამბობს, რამდენად სწრაფად მოლეკულა გააკეთებს დიფუზური დელტა P ჯერ A ჯერ k- ზე D არის კანონი, რომლის გამოყენებაც. წნევის სხვაობა, ზედაპირის ფართობი და მუდმივი k გამრავლებულია ერთად. ისინი იყოფა დიფუზიის ბარიერის მიხედვით, დიფუზიის ზუსტი სიჩქარის დასადგენად. ”
სხვა საინტერესო ფაქტები დიფუზიის ტარიფების შესახებ
დიფუზია შეიძლება მოხდეს მყარ ნივთიერებებში, სითხეებში ან გაზებში. რა თქმა უნდა, დიფუზია ხდება ყველაზე სწრაფად გაზებში და ყველაზე ნელა მყარ ნივთიერებებში. დიფუზიის სიჩქარეზე ასევე შეიძლება გავლენა იქონიოს რამდენიმე ფაქტორმა. გაზრდილი ტემპერატურა, მაგალითად, აჩქარებს დიფუზიის სიჩქარეს. ანალოგიურად, ნაწილაკი, რომელიც დიფუზირებულია და მასალას, რომელშიც ის დიფუზირდება, შეუძლია გავლენა მოახდინოს დიფუზიის სიჩქარეზე. მაგალითად, დააკვირდით, რომ პოლარული მოლეკულები უფრო სწრაფად დიფუზირებენ პოლარულ საშუალებებში, ისევე როგორც წყალში, ხოლო არაპოლარული მოლეკულები შერეულია და ამით უჭირთ წყალში დიფუზია. მასალის სიმკვრივე კიდევ ერთი ფაქტორია, რომელიც გავლენას ახდენს დიფუზიის სიჩქარეზე. გასაგებია, რომ უფრო მძიმე გაზები უფრო ნელა დიფუზირდება უფრო მსუბუქ კოლეგებთან შედარებით. უფრო მეტიც, ურთიერთქმედების არეალის ზომამ შეიძლება გავლენა მოახდინოს დიფუზიის სიჩქარეზე, რასაც მოწმობს სახლის სამზარეულოს არომატი მცირე ფართობზე უფრო სწრაფად გაფანტვისას, ვიდრე ეს უფრო დიდ არეალში იქნებოდა.
ასევე, თუ დიფუზია ხდება კონცენტრაციის გრადიენტის საწინააღმდეგოდ, უნდა არსებობდეს ენერგიის ისეთი ფორმა, რომელიც ხელს უწყობს დიფუზიას. განვიხილოთ, თუ როგორ შეიძლება წყალმა, ნახშირორჟანგმა და ჟანგბადმა ადვილად გადალახონ უჯრედის მემბრანები პასიური დიფუზიით (ან ოსმოსით, წყლის შემთხვევაში). თუ დიდი, არალიპიდური ხსნადი მოლეკულა უნდა გაიაროს უჯრედის მემბრანაში, მაშინ საჭიროა აქტიური ტრანსპორტი, სადაც ადენოზინტრიფოსფატის (ATP) მაღალი ენერგიის მოლეკულა დგამს უჯრედულ მემბრანებში დიფუზიის გასამარტივებლად.