Номер 2, страница 43 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

Проекты и исследования. Итоги главы 1. Глава 1. Первоначальные сведения о строении вещества - номер 2, страница 43.

2. «Объясняется диффузией» (возможная форма: презентация, демонстрация опытов, компьютерная анимация).

Решение

1. Что такое диффузия?

Диффузия — это процесс взаимного проникновения молекул или атомов одного вещества между молекулами или атомами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму. В основе этого явления лежит хаотическое тепловое движение частиц вещества (атомов, молекул, ионов). Частицы непрерывно и беспорядочно движутся, сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда, меняя направление своего движения. В результате этого случайного блуждания происходит их постепенное перемешивание.

Процесс диффузии наблюдается во всех агрегатных состояниях вещества: в газах, жидкостях и твердых телах. Однако скорость протекания процесса сильно различается: наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее — в жидкостях, и крайне медленно — в твердых телах.

2. Примеры явлений, объясняемых диффузией

В быту:

Распространение запахов. Когда мы открываем флакон духов или завариваем кофе, молекулы ароматических веществ испаряются и, двигаясь хаотично, смешиваются с молекулами воздуха, постепенно достигая наших обонятельных рецепторов даже на значительном расстоянии.

Заваривание чая. Погруженный в горячую воду чайный пакетик выпускает красящие и ароматические вещества, которые путем диффузии равномерно распределяются по всему объему чашки, окрашивая воду и придавая ей вкус.

Растворение сахара или соли в воде. Если насыпать на дно стакана с водой сахар и не перемешивать, через некоторое время вода станет сладкой во всем объеме. Это происходит потому, что молекулы сахара диффундируют между молекулами воды.

В природе и биологии:

Дыхание живых организмов. В легких кислород из вдыхаемого воздуха диффундирует через тонкие стенки альвеол в кровь, где его концентрация ниже. Одновременно углекислый газ, концентрация которого в крови выше, диффундирует из крови в альвеолы и удаляется при выдохе.

Питание клеток. Питательные вещества и кислород, доставленные кровью к тканям, проникают внутрь клеток через их мембраны также благодаря диффузии, двигаясь из области большей концентрации в область меньшей.

Питание растений. Растения поглощают из почвы воду и растворенные в ней минеральные соли через корневые волоски. Этот процесс во многом основан на диффузии и ее частном случае — осмосе.

В технике и производстве:

Диффузионная сварка. Металлические детали плотно прижимают друг к другу и нагревают. При высокой температуре атомы с поверхности одного металла начинают проникать (диффундировать) в кристаллическую решетку другого, образуя прочное неразъемное соединение.

Цементация (науглероживание) стали. Для придания поверхностному слою стальной детали большей твердости ее нагревают в среде, богатой углеродом. Атомы углерода диффундируют в поверхностный слой железа, делая его более прочным.

Производство полупроводников. В кристалл чистого кремния путем диффузии при высокой температуре вводят атомы примесей (например, фосфора или бора). Этот процесс называется легированием и позволяет создавать полупроводниковые структуры, являющиеся основой транзисторов и микросхем.

3. Демонстрация опытов

Опыт с диффузией в жидкости. В стакан с чистой водой можно аккуратно капнуть каплю чернил или бросить кристаллик перманганата калия (марганцовки). Без всякого перемешивания окрашенная область будет постепенно расширяться, и через некоторое время вся жидкость станет равномерно окрашенной. Это наглядная демонстрация диффузии в жидкостях.

Опыт с диффузией в газах. Если в одном углу комнаты распылить освежитель воздуха или открыть флакон с нашатырным спиртом, то через некоторое время запах распространится по всему помещению. Это происходит из-за диффузии молекул пахучего вещества в воздухе.

4. Факторы, влияющие на скорость диффузии

Скорость процесса диффузии зависит от нескольких ключевых факторов:

Температура. С повышением температуры средняя кинетическая энергия частиц увеличивается, они начинают двигаться быстрее, что приводит к ускорению диффузии. В горячей воде чай заваривается быстрее, чем в холодной.

Агрегатное состояние вещества. В газах молекулы движутся свободно и быстро, поэтому диффузия происходит почти мгновенно. В жидкостях частицы расположены плотнее, их движение затруднено, поэтому диффузия идет медленнее. В твердых телах атомы лишь колеблются около положений равновесия, и диффузия происходит крайне медленно.

Масса частиц. Более легкие частицы при одинаковой температуре движутся быстрее, чем тяжелые, и, соответственно, диффундируют быстрее.

Градиент концентрации. Чем больше разница концентраций вещества в разных областях, тем интенсивнее идет процесс диффузии. По мере выравнивания концентраций он замедляется.

5. Математическое описание

Процессы диффузии количественно описываются законами Фика.

Первый закон Фика связывает диффузионный поток вещества с градиентом его концентрации. Он гласит, что поток направлен из области с высокой концентрацией в область с низкой.

$J = -D \frac{\partial c}{\partial x}$

где $J$ — плотность диффузионного потока, $D$ — коэффициент диффузии (характеризует скорость процесса), а $\frac{\partial c}{\partial x}$ — градиент концентрации. Знак минус указывает, что поток направлен в сторону уменьшения концентрации.

Второй закон Фика описывает, как изменяется концентрация вещества в данной точке пространства с течением времени.

$\frac{\partial c}{\partial t} = D \frac{\partial^2 c}{\partial x^2}$

Это уравнение позволяет рассчитать, как будет распределена концентрация вещества в любой момент времени.

Ответ: Диффузия — это процесс взаимного проникновения частиц одного вещества в другое, обусловленный их хаотичным тепловым движением. Этим явлением объясняется множество процессов в быту (распространение запахов, заваривание чая), в природе и биологии (дыхание, питание клеток и растений), а также в технологии (диффузионная сварка, легирование полупроводников). Скорость диффузии зависит от температуры, агрегатного состояния вещества, массы частиц и градиента концентрации.