Difuzija vyksta dėl dalelių judėjimo. Atsitiktinio judėjimo dalelės, kaip ir dujų molekulės, susiduria viena su kita, sekdamos Brauno judėjimą, kol jos tolygiai pasiskirsto tam tikroje srityje. Tada difuzija yra molekulių srautas iš didelės koncentracijos zonos į mažos koncentracijos zoną, kol pasiekiama pusiausvyra. Trumpai tariant, difuzija apibūdina dujas, skystį ar kietą medžiagą, besisklaidančią tam tikroje erdvėje arba visoje antrojoje medžiagoje. Difuzijos pavyzdžiai yra kvepalų aromatas, plintantis visame kambaryje, arba žalių maisto dažų lašas, išsisklaidęs puodelyje vandens. Yra keletas būdų, kaip apskaičiuoti difuzijos greitį.
TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)
Atminkite, kad terminas „norma“ reiškia kiekio pokytį bėgant laikui.
Greimo difuzijos dėsnis
XIX amžiaus pradžioje škotų chemikas Thomas Grahamas (1805–1869) atrado kiekybinį ryšį, kuris dabar turi jo vardą. Greimo įstatymas teigia, kad dviejų dujinių medžiagų difuzijos greitis yra atvirkščiai proporcingas jų molinių masių kvadratinei šakniai. Šis ryšys buvo pasiektas, atsižvelgiant į tai, kad visos tos pačios temperatūros dujos turi tą pačią vidutinę kinetinę energiją, kaip suprantama kinetinėje dujų teorijoje. Kitaip tariant, Grahamo dėsnis yra tiesioginė pasekmė, kai dujinės molekulės turi tą pačią vidutinę kinetinę energiją, kai jos yra toje pačioje temperatūroje. Pagal Grahamo dėsnį difuzija apibūdina dujų maišymąsi, o difuzijos greitis yra šio maišymo greitis. Atkreipkite dėmesį, kad Greimo difuzijos dėsnis taip pat vadinamas Grahamo efuzijos dėsniu, nes efuzija yra ypatingas difuzijos atvejis. Efuzija yra reiškinys, kai dujinės molekulės per mažą skylutę patenka į vakuumą, evakuotą erdvę ar kamerą. Efuzijos greitis matuoja greitį, kuriuo tos dujos patenka į tą vakuumą, evakuotą erdvę ar kamerą. Taigi vienas iš būdų apskaičiuoti difuzijos greitį ar efuzijos greitį žodinėje užduotyje yra atlikti skaičiavimus remiantis Grahamo dėsnis, kuris išreiškia santykį tarp molinių dujų masių ir jų difuzijos ar efuzijos normos.
Ficko difuzijos dėsniai
XIX amžiaus viduryje vokiečių kilmės gydytojas fiziologas Adolfas Fickas (1829–1901) suformulavo įstatymų rinkinį, reglamentuojantį skysčių membranoje sklindančių dujų elgseną. Pirmasis Ficko difuzijos dėsnis teigia, kad srautas arba grynasis dalelių judėjimas tam tikroje srityje per tam tikrą laiką yra tiesiogiai proporcingas gradiento statumui. Pirmąjį Ficko įstatymą galima parašyti taip:
srautas = -D (dC ÷ dx)
kur (D) nurodo difuzijos koeficientą ir (dC / dx) yra gradientas (ir yra išvestinis skaičiavime). Taigi pirmasis Ficko dėsnis iš esmės teigia, kad atsitiktinis dalelių judėjimas iš Brauno judėjimo veda prie dalelės iš didelės koncentracijos ir mažos koncentracijos regionų - ir tas dreifo greitis arba difuzijos greitis yra proporcingas tankio gradientas, tačiau priešinga tam gradientui (kuris atspindi neigiamą ženklą prieš difuziją) pastovus). Nors pirmasis Ficko difuzijos dėsnis apibūdina, kiek srauto yra, iš tikrųjų tai yra antrasis Ficko dėsnis Difuzija, kuri dar labiau apibūdina difuzijos greitį ir yra dalinio diferencialo forma lygtis. Antrasis Ficko dėsnis apibūdinamas tokia formule:
T = (1 ÷ [2D]) x2
o tai reiškia, kad difuzijos laikas didėja kartu su atstumo kvadratu x. Iš esmės Ficko pirmasis ir antrasis difuzijos dėsniai suteikia informacijos apie tai, kaip koncentracijos gradientai veikia difuzijos greitį. Įdomu tai, kad Vašingtono universitetas sukūrė mintį, kuri padėtų atsiminti kaip Ficko lygtys padeda apskaičiuoti difuzijos greitį: „Fickas sako, kaip greitai molekulė veiks difuzinis. Delta P kartus A kartus k virš D yra įstatymas, kurį reikia naudoti…. Slėgio skirtumas, paviršiaus plotas ir konstanta k padauginami kartu. Norint nustatyti tikslų difuzijos greitį, jie padalijami iš difuzijos barjero “.
Kiti įdomūs faktai apie difuzijos normas
Difuzija gali vykti kietose dalyse, skysčiuose ar dujose. Žinoma, difuzija greičiausiai vyksta dujose, o lėčiau - kietosiose dalyse. Difuzijos rodiklius taip pat gali paveikti keli veiksniai. Pavyzdžiui, padidėjusi temperatūra paspartina difuzijos greitį. Panašiai difuzijos dalelė ir medžiaga, į kurią ji difuzija, gali turėti įtakos difuzijos greičiams. Pavyzdžiui, atkreipkite dėmesį, kad polinės molekulės greičiau difunduojasi poliarinėse terpėse, tokiose kaip vanduo, o nepolinės molekulės nesimaišo ir todėl sunkiai difunduojasi vandenyje. Medžiagos tankis yra dar vienas veiksnys, turintis įtakos difuzijos greičiams. Suprantama, kad sunkesnės dujos sklinda kur kas lėčiau, palyginti su lengvesnėmis dujomis. Be to, sąveikos ploto dydis gali turėti įtakos difuzijos greičiams, tai įrodo maisto gaminimo namuose aromatas, išsisklaidantis per mažą plotą greičiau nei didesniame plote.
Be to, jei difuzija vyksta prieš koncentracijos gradientą, turi būti tam tikra energijos forma, kuri palengvina difuziją. Apsvarstykite, kaip vanduo, anglies dioksidas ir deguonis gali lengvai kirsti ląstelių membranas pasyvios difuzijos (arba osmoso atveju vandens atveju). Bet jei per ląstelės membraną turi praeiti didelė, lipiduose netirpi molekulė, reikia aktyvaus pernašos, kuri yra kur įsijungia didelės energijos adenozino trifosfato (ATP) molekulė, palengvinanti difuziją per ląstelių membranas.