Диффузия. Для наблюдения явления диффузии бросим несколько крупинок краски в высокий сосуд с водой, и они опустятся на дно. Вскоре вокруг них образуется облачко окрашенной воды. Оставим сосуд в покое на несколько недель в прохладной темной комнате. Наблюдая за сосудом всё это время, мы обнаружим постепенное распространение окраски по всей высоте сосуда. Говорят, что происходит диффузия краски в воду.

Как объясняется диффузия? Частицы веществ, беспорядочно двигаясь, проникают в промежутки друг между другом. Это и означаетсамостоятельное смешивание веществ – диффузию.

Запах духов или бензина довольно быстро распространяется по комнате или гаражу. Так происходит потому, что духи и бензин испаряются – переходят в газообразное состояние, а диффузия в газах происходит быстро: за секунды-минуты. Заметно медленнее диффузия протекает в жидкостях: за недели-месяцы, а в твёрдых телах – очень медленно: за годы-столетия.

Скорость движения частиц и температура. При проведении опытов было замечено, что в тёплой комнате диффузия протекает быстрее. Например, на солнечном подоконнике диффузия краски в воду завершается заметно раньше (см. рисунки). Кстати, при повышении температуры броуновское движение также ускоряется.

Как же объяснить ускорение этих явлений? Объяснение одно: повышение температуры тела приводит к увеличению скорости движения составляющих его частиц.

Итак, каковы же выводы из опытов? Самостоятельное движение частиц веществ наблюдается при любой температуре. Однако при повышении температуры движение частиц ускоряется, что приводит к возрастанию их кинетической энергии (см. § 6-д). В результате эти более «энергичные» частицы ускоряют протекание диффузии, броуновского движения и других явлений, например, испарения и растворения.

Проверьте свои знания:

1. Какова цель изучения этого параграфа?
2. Опишите, что нового открыл Броун.
3. Какова вторая заслуга Броуна перед своими последователями и наукой в целом?
4. Нам потребуется сделать предположение (выдвинуть гипотезу), чтобы...
5. В чём состоит объяснение явления броуновского движения?
6. Почему движение спор на воде казалось Броуну не имеющим причины?
7. Ни молекулы воды, ни спора не являются шарами. Это – одна из причин того, что на рисунке мы видим...
8. Что моделируют составные части рассмотренной нами модели?
9. Охарактеризуйте действие шариков на шар в нашей модели.
10. Необходимое условие перескока шара на новое место – наличие...
11. Опишите подготовительный этап опыта по наблюдению диффузии.
12. Что мы сможем увидеть практически сразу же?
13. Что мы увидим в течение нескольких недель?
14. Дайте объяснение явлению диффузии.
15. Диффузия – это...
16. По сравнению с диффузией в жидкостях, диффузия в газах всегда...
17. При повышении температуры ускоряется диффузия и...
18. Что приводит к возрастанию скорости движения частиц?
19. О чём говорит тот факт, что броуновское движение и диффузия наблюдаются и в холодной, и в тёплой комнате?
20. Увеличение скорости частиц означает увеличение их...
21. Ускорение каких ещё явлений мы можем наблюдать при повышении температуры?

Cтраница 1

Движение частицы вещества (молекулы, иона или молекулярного агрегата) представляют обычно в виде последовательных скачков, связанных с преодолением потенциального барьера между двумя равновесными положениями.  

Совокупность законов движения частиц вещества, учитывающая их волновые свойства, получила название волновой или квантовой механики.  

При нагревании скорость движения частиц вещества, как показывает кинетическая теория газов (IV.2), повышается пропорционально / Т, пропорционально которому растет и число столкновений между молекулами реагентов. Следовательно, основную причину сильного влияния температуры на скорость реакции следует искать в другом.  

Между распространением световых лучей и движением частиц вещества имеется глубокая аналогия. Внешне эта аналогия проявляется в сходстве формы светового луча с траекторией частицы, движущейся в силовом поле. Например, форма луча во втором случае миража (§ 14) похожа на форму траектории снаряда, брошенного под углом к поверхности земли.  

Конвекция - передача теплоты вместе с движением частиц вещества; имеет место только в жидкостях и газах.  

Некоторые волны являются вполне или почти периодическими; движение частиц вещества повторяется много раз. Не всякие волны, однако, обладают этим свойством.  

Одним из прогрессивных направлений электронной технологии является технология, основанная на использовании движения частиц вещества, управляемого по законам движения заряженных частиц в электрическом поле. При этом используются силы взаимодействия электрического поля и электрических зарядов и особенности движения зарядов в электрическом поле для воздействия на элементы сырья и придания им упорядоченного движения, необходимого для создания готового продукта. Поскольку силы электрического поля могут производить воздействие на сколь угодно малую частицу вещества, постольку технологический процесс является непрерывным, поддающимся весьма точному управлению и регулированию.  

В этих устройствах частицы рабочей струи, обладающие большим запасом энергии и большой скоростью, вовлекают в движение частицы вещества (жидкого или газообразного) с меньшим запасом внергии.  

В отличие от этого нет оснований считать свойства вещества и скорость света в нем одинаковыми во всех инерциальных системах, так как состояние движения частиц вещества различно в разных системах.  

В соответствии с этим мы должны связать с волновым уравнением следующую картину: волновой процесс, удовлетворяющий этому уравнению, непосредственно вовсе не представляет движения частиц вещества; он только определяет возможные движения или, лучше, состояния вещества. Такая атомная система имеет дискретный набор состояний; но она имеет также и непрерывную область состояний, и последние обладают тем замечательным свойством, что в них возмущение всегда распространяется вдоль пути от атома и с конечной скоростью, точно так, как если бы частица была выброшена. Данный факт оправдывает, даже требует существования частиц, хотя в некоторых случаях, как мы уже говорили, это не может пониматься слишком буквально.  

Как было отмечено в § 29, при рассмотрении различных сил, имеющихся в природе, электромагнитные силы - единственные силы, с помощью которых можно искусственно управлять движением частиц вещества. Поэтому вполне естественно, что предназначенные для этой цели приборы используют электромагнитные силы.  

В 1905 - м году Альберт Эйнштейн высказал идею о двойственной природе света, ввел понятие квант света, а в 1923 - м году французский физик-теоретик Луи де - Бройль распространил корпускулярно-волновой дуализм и на движение частиц вещества, сопоставив каждой движущейся частице волновой процесс.  

Такое противоречие с опытом, как известно, устраняется квантовой теорией тепла, согласно которой энергия распределяется между носителями более сложно и элементарная энергия (VzkT) достигается лишь в пределе, при полном возбуждении различных форм движения частиц вещества.  

Почему же скорость реакции столь чувствительна к изменению температуры. При нагревании скорость движения частиц вещества, как показывает кинетическая теория газов [ формула (IV. YT, пропорционально которому растет и число столкновений между молекулами реагентов. Если температура повышается от 0 до 100 С, то число соударений возрастет всего в 1 / 373: 273 1 2 раза. Следовательно, основную причину сильного влияния температуры на скорость реакции следует искать в другом.  

Почему же скорость реакции столь чувствительна к изменению температуры. При нагревании скорость движения частиц вещества, как показывает кинетическая теория газов (4.2), повышается пропорционально л / Т, пропорционально которому растет и число столкновений между молекулами реагентов. Если температура повышается на 100, то число соударений возрастает всего в / 373: 273 1 2 раза. Следовательно, основную причину сильного влияния температуры на скорость реакции следует искать в другом.  

§ 1 Броуновское движение

Вспомним, что вещество, которое является основой любого тела, состоит из мельчайших частиц - молекул. Но, как же ведут себя молекулы внутри вещества? Находятся в состоянии покоя или движутся?

Чтобы это выяснить, рассмотрим пример.

Пищу, для улучшения вкусовых качеств, солят. Соль - это твердые кристаллы. Попадая в жидкость, они растворяются и постепенно распространяются по всему объему пищи. Если бы частицы соли не могли перемещаться, то пища была бы соленой только в ограниченной области, а не везде. Аналогично происходит и с сахаром, который кладут в чай. Если мы попробуем опустить в горячую воду чайный пакетик и оставить его там на некоторое время, то мы увидим, что вода окрасится.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что частицы вещества находятся в постоянном движении. Такое движение в физике называется броуновским.

Это открытие сделал шотландский ученый Роберт Броун в 1827 году при исследовании пыльцы растений. Броун увидел, что мельчайшие твердые крупинки, которые едва можно было разглядеть в капле воды, непрерывно дрожат и хаотически передвигаются с места на место. Это удивительное явление никогда не прекращалось: его можно было наблюдать сколь угодно долго. Такое беспорядочное движение частиц было доказано в конце 19 века. В капле воды (если не давать ей высохнуть) движение крупинок можно наблюдать в течение многих дней, месяцев, лет. Оно не прекращается ни летом, ни зимой, ни днем, ни ночью. В кусках кварца, пролежавшего в земле тысячи лет, попадаются иногда капельки воды, замурованные в нем. В этих капельках тоже наблюдали броуновское движение плавающих в воде частиц.

§ 2 Диффузия

На основе постоянного беспорядочного движения молекул основано физическое явление - диффузия. Диффузия - это взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого. Это явление может происходить в газообразных телах (распространение запахов в воздухе), в жидких телах (кофе с молоком) и в твердых телах. Причем в газах молекулы одного вещества занимают промежутки между молекулами другого гораздо быстрее, чем в твердых телах.

Увидеть диффузию в твердом теле в нормальных условиях невозможно, потому что при обычной температуре она происходит слишком медленно. Однако она существует.

Например, очень гладко отшлифованные пластинки свинца и золота кладут одна на другую и ставят на них некоторый груз. При комнатной температуре за 4-5 лет золото и свинец взаимно проникают друг в друга на расстояние около 1 миллиметра.

Примером диффузии в природе может служить важный для жизнедеятельности организма процесс - дыхание. Именно благодаря диффузии кислород из легких попадает в кровь, а из крови - в органы и ткани организма.

Скорость протекания диффузии можно увеличить за счет повышения температуры. Ведь чай гораздо быстрее заваривается в горячей, а не в холодной воде. То есть при повышении температуры скорость передвижения молекул увеличивается и наоборот.

Таким образом, мельчайшие частицы любого вещества находятся в постоянном беспорядочном движении. На этом основано физическое явление - диффузия, скорость которой зависит от температуры.

§ 3 Кратко по теме урока

Итак, подведем итоги:

1.Вещество, которое является основой любого тела, состоит из мельчайших частиц - молекул.

2.Частицы вещества находятся в постоянном движении. Такое движение в физике называется броуновским.

3.На основе постоянного беспорядочного движения молекул основано физическое явление - диффузия. Диффузия - это взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.

4.Это явление может происходить:

В газообразных телах (распространение запахов в воздухе);

В жидких телах (кофе с молоком);

В твердых телах.

5.В газах молекулы одного вещества занимают промежутки между молекулами другого гораздо быстрее, чем в твердых телах.

6.Увидеть диффузию в твердом теле в нормальных условиях невозможно, потому что при обычной температуре она происходит слишком медленно.

7.Скорость протекания диффузии можно увеличить за счет повышения температуры.

Список использованной литературы:

1. Физика. Химия. 5-6 классы. Гуревич А.Е., Исаев Д.А., Понтак Л.С. – М.: Дрофа, 2011.
2. Физика. 7 класс: Учебник для общеобразоват.учреждений/А.В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2006.
3. Физика. 8 класс: Учебник для общеобразоват.учреждений/А.В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2010.
4. Занимательная физика. Я. Перельман
5. Физика. 7 класс. Учебник. Гуревич А. Е.

Использованные изображения:

Манометр – это прибор, предназначенный для измерения и показания давления пара, воды и т. д.

Технический манометр по устройству относится к трубчато-пружинным манометрам.

Состоит: из корпуса, стояка, пустотелой изогнутой трубки, стрелки, поводка, зубчатого сектора, шестеренки и пружины. Главной частью манометра является изогнутая пустотелая трубка, которая нижним концом соединена с пустотелой частью стояка. Верхний конец трубки запаян и может перемещаться, а, перемещаясь, передает свое движение зубчатому сектору, смонтированному на стояке, а потом шестерне, на оси которой сидит стрелка.

При подключении манометра к измеряемому давлению, давление внутри трубки стремиться ее выправить, движение трубки передается через поводок шестеренке и стрелке, стрелка двигаясь по шкале, показывает измеряемое давлении.

Пружинные манометры используются для измерения давлений в широких пределах. В этих приборах воспринимаемое давление уравновешивается усилием, возникающим при упругой деформации пружины. В них, в качестве чувствительного элемента применяются трубчатые, одновитковые и многовитковые пружинные сильфоны, коробчатые и плоские мембраны.

Наиболее часто используются показывающие манометры с одновитковой трубчатой пружиной, представляющей собой согнутую по кругу трубку. Один конец его соединен с ниппелем, служащим для подвода давления, а второй закрыт заглушкой и запаян. Поперечное сечение полой трубки имеет вид овала или эллипса, малая ось которой совпадает с радиусом самой пружины. При подводе давления во внутреннюю полость пружины, сечение трубки деформируется, стремясь приобрести наиболее устойчивую форму окружности. При этом свободный конец (заглушенный) трубки перемещается на расстояние, пропорциональное измеренному давлению, и посредством тяги поворачивает зубчатый сектор. В результате стрелка поворачивается на угол. Выбор зазоров в шарнирных и зубчатых зацеплениях обеспечивается спиральной пружиной (волоском), укрепленной одним концом на оси триба, а другим на кронштейне. Поворот показывающей стрелки отсчитывается, по круговой шкале с углом охвата 270*С. Регулировка передаточного механизма для определенного угла поворота стрелки осуществляется изменением положения точки крепления поводка (тяги) в прорези нижнего плеча зубчатого сектора. Корпус прибора круглой формы. В него вложена шкала в форме циферблата.

По принципу действия манометры подразделяются на жидкостные, пружинные, поршневые, и электрические.

Действие жидкостных манометров основано на уравновешивании измеряемого давления столбом жидкости.

Жидкостные (трубные) манометры функционируют по принципу сообщающихся сосудов – за счет уравновешивания фиксируемого давления весом жидкости-наполнителя: столб жидкости сдвигается на высоту, которая пропорциональна приложенной нагрузке. Измерения на основе гидростатического метода привлекают сочетанием простоты, надежности, экономичности и высокой точности. Манометр с жидкостью внутри оптимально подходит для измерения перепадов давления в пределах 7 кПа (в специальных вариантах исполнения – до 500 кПа).

Виды и типы приборов

Для лабораторных измерений или промышленного применения используются различные варианты манометров с трубной конструкцией. Наиболее востребованы такие виды приборов:

• U-образные. Основа конструкции – сообщающиеся сосуды, в которых определение давления осуществляется по одному или сразу нескольким уровням жидкости. Одна часть трубки соединяется с трубопроводной системой для проведения измерения. В то же время другой конец может быть герметически запаян или иметь свободное сообщение с атмосферой.
• Чашечные. Однотрубный жидкостный манометр во многом напоминает конструкцию классических U-образных приборов, но вместо второй трубки здесь применяется широкий резервуар, площадь которого в 500-700 раз больше площади сечения основной трубки.
• Кольцевые. В устройствах данного типа столб жидкости заключен в кольцевом канале. При изменении давления происходит перемещение центра тяжести, что в свою очередь приводит к перемещению стрелки указателя. Таким образом, прибор для измерения давления фиксирует угол наклона оси кольцевого канала. Эти манометры привлекают высокой точностью результатов, которые не зависят от плотности жидкости и газовой среды на ней. В то же время сфера применения таких изделий ограничивается их высокой стоимостью и сложностью обслуживания.
• Жидкостно-поршневые. Измеряемое давление вытесняет сторонний шток и уравновешивает его положение калиброванными грузами. Подобрав оптимальные параметры массы штока с грузами, удается обеспечить его выталкивание на величину, пропорциональную к измеряемому давлению, а, следовательно, удобную для контроля.

Применение жидкостного манометра

Простота и надежность измерений на основе гидростатического метода объясняют широкое применение прибора с жидкостным наполнителем. Такие манометры незаменимы при проведении лабораторных исследований или решении различных технических задач. В частности, приборы используются для таких типов измерений:

• Небольшие избыточные давления.
• Разность давлений.
• Атмосферное давление.
• Разрежение.

Важное направление применения трубных манометров с жидким наполнителем – поверка контрольно-измерительных приборов: тягомеров, напоромеров, вакуумметров барометров, дифманометров и некоторых типов манометров.

Манометр жидкостный: принцип действия

Самый распространенный вариант конструкции приборов – U-образная трубка. Принцип действия манометра показан на рисунке:

Схема U-образного жидкостного манометра

Один конец трубки имеет сообщение с атмосферой – на него воздействует атмосферное давление Pатм. Другой конец трубки с помощью подводящих устройств подключается к целевому трубопроводу – на него воздействует давление измеряемой среды Рабс. Если показатель Рабс выше Pатм, то жидкость вытесняется в трубку, сообщающуюся с атмосферой.

Инструкция по расчету

Разница высоты между уровнями жидкости рассчитывается по формуле:

h = (Рабс – Ратм)/((rж – rатм)g)
где:
Рабс – абсолютное измеряемое давление.
Ратм – атмосферное давление.
rж – плотность рабочей жидкости.
rатм – плотность окружающей атмосферы.
g – ускорение свободного падения (9,8 м/с2)
Показатель высоты рабочей жидкости H складывается из 2-ух составляющих:
1. h1 – понижение столба по сравнению с исходным значением.
2. h2 – повышение столба в другой части трубки в сравнении с исходным уровнем.
Показатель rатм в расчетах часто не учитывают, поскольку rж >> rатм. Таким образом, зависимость можно представить как:
h = Ризб/(rж g)
где:
Ризб – избыточное давление измеряемой среды.
На основе приведенной формулы, Ризб = hrж g.

Если необходимо измерить давление разряженных газов, применяются измерительные приборы, в которых один из концов герметически запаян, а к другому с помощью подводящих устройств подключают вакуумметрическое давление. Конструкция показана на схеме:

Схема жидкостного вакуумметра абсолютного давления

Для таких приборов применяется формула:
h = (Ратм – Рабс)/(rж g).

Давление в запаянном торце трубки равно нулю. При наличии в нем воздуха расчеты вакуумметрического избыточного давления выполняются как:
Ратм – Рабс = Ризб – hrж g.

Если воздух в запаянном конце откачан, и давление противодействия Ратм = 0, то:
Рабс= hrж g.

Конструкции, в которых воздух в запаянном конце откачивается и перед заполнением вакууммируется, подходят для применения в качестве барометров. Фиксация разницы высоты столба в запаянной части позволяет произвести точные расчеты барометрического давления.

Преимущества и недостатки

Жидкостные манометры имеют как сильные, так и слабые стороны. При их использовании удается оптимизировать капитальные и эксплуатационные издержки на контрольно-измерительные мероприятия. В то же время следует помнить о возможных рисках и уязвимых местах таких конструкций.

Среди ключевых преимуществ измерительных приборов с жидкостным наполнением следует отметить:

• Высокая точность измерений. Приборы с низким уровнем погрешности могут использоваться в качестве образцовых для поверки различного контрольно-измерительного оборудования.
• Простота использования. Инструкция по использованию прибора является предельно простой и не содержит каких-либо сложных или специфических действий.
• Невысокая стоимость. Цена жидкостных манометров значительно ниже по сравнению с другими типами оборудования.
• Быстрый монтаж. Подключение к целевым трубопроводам производится с помощью подводящих устройств. Осуществление монтажа/демонтажа не требует специального оборудования.

При использовании манометрических устройств с жидкостным наполнением следует учитывать и некоторые слабые стороны таких конструкций:

• Резкий скачок давления может привести к выбросу рабочей жидкости.
• Возможность автоматической фиксации и передачи результатов измерений не предусмотрена.
• Внутреннее устройство жидкостных манометров определяет их повышенную хрупкость
• Приборы характеризуются достаточно узким диапазоном измерений.
• Корректность измерений может быть нарушена некачественной очисткой внутренних поверхностей трубок.

Инструкция для жидкостного манометра

Для гидростатических измерений в манометрах могут использоваться различные рабочие жидкости: дистиллированная вода, ртуть, этиловый спирт, жидкость Туле и другие наполнители. При их использовании важно помнить о возможных рисках. В частности, вода приводит к коррозии железосодержащих сплавов, ртуть несет угрозу здоровью человека, а ацетилен и некоторые другие виды наполнителей являются психотропными веществами.