Barwienie żywności ilustruje dyfuzję w wodzie. Dyfuzja to mieszanie się cząsteczek w wyniku ich losowego ruchu, czy to w cieczy, czy w gazie. Ponieważ cząsteczki w zimnej wodzie mają mniejszą energię kinetyczną niż w ciepłej wodzie, proces dyfuzji jest znacznie wolniejszy niż w ciepłej wodzie. Ale barwnik spożywczy może również wykazywać ruch, który nie jest przypadkowy, taki jak mieszanie wody przez konwekcję.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
TL; DR: Barwnik dodany do środka zlewki z zimną wodą opadnie na dno. Jeśli zamieszasz zimną wodę lub dodasz barwnik do ciepłej wody, rozpuści się znacznie szybciej.
Mechanizm dyfuzji
Dyfuzja nie wymaga mieszania, takiego jak mieszanie, chociaż mieszanie przyspiesza proces. W przypadku barwników spożywczych w wodzie, woda jest rozpuszczalnikiem, podczas gdy barwnik spożywczy jest substancją rozpuszczoną. Po zmieszaniu tworzą rozwiązanie. Dyfuzja wymaga czasu, choć to ile czasu zależy od energii kinetycznej cząsteczek losowo odbijających się od siebie. To losowe odbijanie – zwane ruchem Browna – wynika z drgania atomów, które robią tym szybciej i mocniej, im gorętsze są. Efektem końcowym tych ruchów z biegiem czasu jest ostateczne, jednolite rozwiązanie.
Mieszanie według różnicy ciężaru właściwego
•••Dankingphotography/iStock/Getty Images
Barwnik spożywczy ma nieco wyższy ciężar właściwy lub gęstość względną niż woda, więc zanim zdąży się rozproszyć, ma tendencję do tonięcia w wodzie. Gdy woda jest zimna, a tempo dyfuzji jest wolniejsze, więcej barwników pozostaje razem w pióropuszu opadającym na dno pojemnika. Pozostawiony sam i niezakłócony, może utworzyć warstwę na dole; ze względu na ruchy Browna nie będzie jednak ostro zarysowanej granicy między wodą a kolorem. Przypadkowy ruch cząsteczek stopniowo rozproszy kolor w wodzie. Pobudzenie przyspieszy proces dyfuzji.
Mieszanie przez konwekcję
Jeśli pojemnik z wodą jest cieplejszy lub chłodniejszy niż powietrze otoczenia, w miarę zbliżania się wody do temperatury otoczenia rozwinie się konwekcyjne wzorce przepływu. W przypadku zimnej wody w ciepłym otoczeniu boki pojemnika odprowadzają ciepło na obrzeża wody. Chłodna, gęstsza woda pośrodku tonie. Barwnik spożywczy dodany do tej opadającej środkowej kolumny będzie płynął konwekcyjnie do dna pojemnika, ale potem będzie również płynął w górę po bokach, z powrotem do góry, aby ponownie krążyć wokół. Ten przepływ służy do mieszania roztworu, przyspieszając dyfuzję.
Co się dzieje, gdy woda się zmienia?
Porównaj wpływ ciepła i gęstości na dyfuzję barwnika spożywczego. Spróbuj porównać równolegle dyfuzję w zimnej i ciepłej wodzie. W zimnej wodzie dyfuzja będzie znacznie wolniejsza. Spróbuj rozpuścić pół łyżki soli w wodzie, a następnie upuść barwnik spożywczy. Zabarwienie nadal będzie się rozpraszać, ale nie opadnie, ponieważ słona woda ma wyższy ciężar właściwy. Spróbuj umieścić źródło ciepła, takie jak żarówka, po jednej stronie szkła i odczekaj kilka minut przed upuszczeniem barwnika. Będzie jeździć – a tym samym uwidocznić – przepływ konwekcyjny.