Харчовий барвник ілюструє дифузію у воді. Дифузія - це змішування молекул внаслідок їх випадкового руху, будь то в рідині чи газі. Оскільки молекули в холодній воді мають менше кінетичної енергії, ніж у теплій, процес дифузії відбувається набагато повільніше, ніж у теплій воді. Але харчовий барвник може також демонструвати випадкові рухи, такі як перемішування води конвекцією.
TL; DR (занадто довгий; Не читав)
TL; DR: Харчовий барвник, доданий до центру склянки з холодною водою, опуститься на дно. Якщо ви розмішаєте холодну воду або додасте барвник у теплу воду, вона буде дифундувати набагато швидше.
Механізм дифузії
Дифузія не вимагає перемішування, наприклад перемішування, хоча перемішування пришвидшує процес. У випадку харчових барвників у воді вода є розчинником, тоді як харчовий барвник - розчиненою речовиною. Після змішування вони роблять розчин. Дифузія вимагає часу, хоча скільки часу залежить від кінетичної енергії молекул, що випадково стрибають між собою. Це випадкове підстрибування, яке називається броунівським рухом, є результатом вібрацій атомів, які вони роблять швидше і сильніше, чим вони гарячіші. Кінцевим результатом цих рухів з часом є остаточне рівномірне рішення.
Змішування за різницею в питомій вазі
•••Dankingphotography / iStock / Getty Images
Харчовий барвник має дещо вищу питому вагу або відносну щільність, ніж вода, тому, перш ніж встигнути дифундувати, він, як правило, тоне у воді. Коли вода холодна і швидкість дифузії повільніша, більша частина харчових барвників залишається разом у шлейфі, що падає на дно ємності. Залишившись наодинці і не порушуючи, він може утворити шар внизу; через броунівський рух, однак, не буде чітко визначеної межі між водою та забарвленням. Випадковий рух молекул поступово буде дифузувати колір у воду. Змішування прискорить процес дифузії.
Змішування конвекцією
Якщо ємність з водою тепліша або прохолодніша за навколишнє повітря, вона розвиватиме конвективні схеми потоку, коли вода наближається до температури навколишнього середовища. У разі холодної води в теплому середовищі, боки ємності проводять тепло по периферії води. Прохолодна, щільніша вода в центрі тоне. Харчовий барвник, доданий до цієї колонки, що опускається, буде спрямовувати конвективний потік на дно контейнера, але потім він також буде рухатись потоком вгору по боках, назад до верху, щоб знову кружляти. Цей потік служить для перемішування розчину, прискорюючи дифузію.
Що відбувається, коли вода змінюється?
Порівняйте вплив тепла та щільності на дифузію харчового барвника. Спробуйте паралельне порівняння дифузії в холодній та теплій воді. У холодній воді дифузія буде значно повільнішою. Спробуйте розчинити половину ложки солі у воді, а потім скиньте харчовий барвник. Забарвлення все одно буде розсіюватися, але воно не буде тонути, оскільки морська вода має вищу питому вагу. Спробуйте розташувати джерело тепла, наприклад, світло розжарювання, біля однієї сторони скла і зачекайте кілька хвилин, перш ніж відпустити фарбу. Він буде їздити - і тим самим робити видимим - конвективний потік.