Що таке дифузія. Її значення і функції у зварюванні.

Автор | 07.07.2024

Явище дифузії

Дифузія відіграє важливу роль у багатьох хімічних і біологічних процесах. Організми проходять постійний і постійний процес дифузії в кожній частині, компоненті та зоні своєї системи.

Навіть коли ви читаєте це, кисень дифундує з капілярів вашої судинної системи та наповнює ваші м’язи. Це пасивна дифузія ; ніякі інші молекули не допомагають кисню насичувати тканину, в яку вони дифундують. Іншим функціям дифузії допомагають різні молекули.

Дифузія — це явище масообміну, яке спричиняє більш рівномірний розподіл хімічних речовин у просторі з плином часу.

Як практично будь-яке інше природне явище, дифузія підкоряється законам природи та фізики. Що це за закони і чому вони існують;

Основні моменти дифузії
Дифузія — це чистий рух молекул із зони високої концентрації в область низької концентрації.
Розсіяний матеріал може бути твердим, рідким або газоподібним
Матеріали можуть дифундувати в тверде, рідке або газоподібне середовище.
Дифузія означає рух молекули вздовж градієнта концентрації.
Швидкості дифузії залежать від взаємодії середовища та матеріалу, в який воно дифундує.

Дифузія та її значення

Дифузія описує досить широку сферу діяльності в усіх станах речовини – газу, твердого та рідкого. Навіть плазма, яку іноді вважають четвертим станом речовини. Проте, незважаючи на всю різноманітність матерії, яка може брати участь у дифузії, вона зводиться до простого процесу.

Дифузія – це рух молекули з області високої концентрації частинок до місця, де частинки менш концентровані.

Молоко в гарячій каві діє зовсім інакше, ніж молоко в холодній каві

Коли ви наливаєте холодне молоко в гарячу каву, ви можете побачити, як частинки молока спрямовуються до зон із низькою концентрацією частинок. Фото: Croydon Clicker на VisualHunt

Ви додаєте молоко в чай ​​чи каву? Якщо ви не споживач кави/чаю, чи спостерігали ви коли-небудь, як люди, які п’ють каву чи чай, доглядають за своїм напоєм? Якщо так, можливо, ви помітили, що молоко не відразу забарвлює весь напій у світліший колір. Спочатку білим було лише місце, куди виливали молоко; потрібно було трохи помішувати, щоб правильно збалансувати суміш .

Додавання молока до кави є хорошим прикладом дифузії, навіть якщо вам довелося трохи допомогти, перемішуючи.

Не всі дифузії є миттєвими; тому ми повинні враховувати швидкість дифузії . Дві прості рідини, такі як харчовий барвник і вода, досить швидко дифундують одна в одну. І навпаки, випробовуючи рідини, які не змішуються – наприклад, бензин і воду, ми виявимо, що лише найменший контактний шар двох рідин дифундує одна в одну, і при цьому надзвичайно повільно.

Один важливий фактор відрізняє дифузію від осмосу : наявність мембрани, через яку дифундує. Осмос визначається як дифузія молекул через напівпроникну мембрану; дифузія велике означає молекули, що рухаються вздовж градієнта концентрації з бар’єром або без нього.

Тим не менш, осмос є формою дифузії; який детально обговорюється в іншій статті.

У вступі до цієї статті ми торкнулися кисню, який дифундує через капіляри в тканини нашого тіла. Заглиблюючись у цю концепцію, ми виявили, що аеробне дихання відіграє певну роль у процесі дифузії.

Вуглекислий газ, який утворюється як побічний продукт клітинного дихання, підвищує концентрацію цих молекул у клітинах. Коли кількість молекул збільшується, вони потім виштовхуються назовні, до капілярів, де сила потоку крові вимітає її з тканин, через судинну систему та в легені, щоб викинути їх під час дихання.

На цьому прикладі ми можемо побачити, наскільки широким є акт дифузії в біологічних системах. Навіть коли молекули кисню постійно надходять у тканини, молекули вуглекислого газу постійно виходять. Це доводить, що одна речовина або процес дифузії може відбуватися незалежно від усіх інших процесів дифузії, які можуть відбуватися одночасно.

Зрештою, дифузія життєво важлива для правильного функціонування клітинних структур …

Дифузія навколо нас

Оскільки дифузія є універсальною — процес, який проходить кожен тип матерії в будь-якому стані, і має вирішальне значення для підтримки організмів, не дивно, що існує два методи дифузії .

Проста дифузія представляє молекули, що рухаються вздовж градієнта концентрації без входу, впливу або втручання з боку інших молекул або сил.

Раніше ми згадували про дифундію вуглекислого газу в судинну систему для його подорожі до легенів і остаточного вигнання. Молекула вуглекислого газу досить мала, щоб дифундувати легко, без сторонньої допомоги – те, що називається полегшеною дифузією; тип, про який ми зараз поговоримо.

Осмос відноситься до категорії простої дифузії. молекули води, що проходять через наші клітинні стінки, не потребують додаткової допомоги; вони достатньо малі, щоб проникнути крізь пори цих бар’єрів без будь-яких спеціалізованих білків.

Розчинені речовини проходять через розчинники, щоб вирівняти концентрацію частинок

На цьому зображенні ми бачимо, як розчинена речовина розсіюється в розчиннику. Автор фото: Ян Хейхерст на VisualHunt.com

Полегшена дифузія

Хоча проста дифузія — це, по суті, діючі закони природи та фізики, полегшена дифузія потребує невеликої допомоги, щоб досягти бажаних результатів. Інша молекула віддає свою енергію для переміщення більшої або більш полярної молекули через гідрофобний/ліпідний подвійний шар.

Молекули високої енергії, такі як АТФ, не обов’язково беруть участь у кожному процесі полегшеної дифузії, оскільки процес дифузії, полегшений чи простий, полягає в тому, що молекули рухаються вздовж своїх градієнтів концентрації . Тим не менш, АТФ і споріднена з ним молекула GTP (гуанозинтрифосфат) можуть відігравати непряму роль.

Через нескладну структуру бактерії не мають іншого виходу, окрім простої дифузії, щоб отримати кисень і деякі поживні речовини. Полегшена дифузія використовується для транспортування поживних речовин у бактерій, оскільки ці організми не мають органел; таким чином, неможливо захопити та транспортувати їжу.

Функції дифузії

У рідині чи газі молекули та іони постійно рухаються, намагаючись рівномірно розподілитися в розчиннику. Незважаючи на те, що ці частинки зрештою досягають стабільної концентрації в середовищі, вони продовжуватимуть рухатися, і вони рухатимуться в будь-якому напрямку.

Для чого весь цей рух? Окрім підтримки рівноваги,

  • у тварин:
    • кисень і вуглекислий газ дифундують у кров і виводяться з неї
    • вуглекислий газ дифундує з легенів у повітря
    • поживні речовини і кисень дифундують в тканини
    • частинки дифундують, щоб забезпечити клітини поживними речовинами, водою та киснем, а також вивести відходи.
  • в рослинах:
    • вуглекислий газ дифундує з повітря в листя рослин
    • кисень дифундує з листя рослин
    • поживні речовини поширюються по всій транспортній системі рослини, чому сприяють білки

Фотосинтез, процес утворення глюкози та кисню з сонячного світла, заснований на дифузії. Будова рослинної клітини – і клітини тварин, в тому числі, оптимальні за типом газообміну  одна функція дифузії.

Крім того, вони побудовані таким чином, щоб забезпечити дифузію більших молекул , зокрема мінеральних і поживних частинок, хоча вони, швидше за все, використовують полегшену дифузію.

Фактори, що впливають на дифузію

Незалежно від розчинених речовин і розчинників , дифузія є безперервною. Однак чотири фактори можуть змінити швидкість і ступінь дифузії.

Розмір частки

Незалежно від умов, менші частинки дифундують швидше, ніж більші. Крім того, дрібні частинки можуть не потребувати білків-помічників, щоб підтримувати їх рух. Більші молекули, особливо зі складнішими формами/поверхнями та більшою масою, підкоряються законам фізики. Вони рухатимуться повільніше вздовж своїх градієнтів концентрації, ніж менші, більш обтічні частинки.

Частинки продовжуватимуть шукати області низької концентрації

Залежно від того, наскільки насичений розчинник, частинки продовжуватимуть шукати області з низькою концентрацією, які вони можуть зайняти. Автор фото: Ян Хейхерст на Visualhunt

Наприклад, відносно проста і легка молекула кисню буде рухатися швидше, ніж, скажімо, молекула газоподібного йоду.

Область взаємодії

Щоб це було зрозуміло, давайте згадаємо нашу чашку кави, в яку ми тільки що додали молоко. Місце, куди ми налили молоко, світліше, і, залежно від того, скільки ми налили, хвилі молока розливаються по всьому напою. Якщо ми нічого не зробимо, молоко згодом зіллється на дно чашки, оскільки воно трохи густіше кави.

Пам’ятайте, що розмір частинок є ще одним фактором, який впливає на дифузію; отже, молоко обмежено розподіляється по каві. У цей момент площа взаємодії частинок дуже мала. Нам потрібно перемішувати напій, щоб збільшити площу взаємодії .

Перемішування спрямовує частинки молока до ділянок, де їх менше. Після кількох секунд перемішування частинки молока розсіялися по темному напою.

Збільшення площі взаємодії будь-яким способом дозволяє пришвидшити процес дифузії .

Температура

Вищі температури викликають вивільнення більшої кількості кінетичної енергії . Ви можете перевірити цей закон фізики, спробувавши експеримент з молоком/кавою. Вам знадобиться гаряча чашка кави або чаю, і така ж, тільки тепла. Тепер налийте попередньо відміряну кількість молока в обидві чашки та спостерігайте за реакцією молока.

У гарячій чашці молоко буде виглядати більш живим; він буде відскакувати від дна і створювати видимі хвилі прямо під поверхнею рідини. Навпаки, молоко в теплій чашці кави буде діяти мляво, осідаючи на дно і, ймовірно, не створюючи підстрибуючих хвиль.

Чим більша різниця температур , тим жвавішими стають молекули з нижчою температурою. Вони починають віддалятися один від одного і віддалятися від холодного центру, запускаючись у більш гаряче середовище.

Це той самий принцип, який змушує лід танути швидше в спекотний день, ніж у прохолодніший.

Дифузія у зварюванні

Дифузійний зв’язок  діє за принципом дифузії , тобто переміщення атомів або молекул із області з високою концентрацією в область з низькою концентрацією. Щоб запустити процес,  на обидва матеріали,  які накладаються один на одного,  чиниться високий тиск . Тепло прискорює процес  дифузійного склеювання. Однак температура не повинна бути занадто високою і коливатися  в межах 50-70 % температури плавлення  металу.

Дифузійне з’єднання  – це техніка зварювання, яка  в основному використовується в металообробці . Дифузійне з’єднання діє за  принципом дифузії в твердому тілі  та дає змогу  з’єднати два подібних або різнорідних металу . Він широко використовується в аерокосмічній та атомній промисловості

Дифузійне зварювання , також відоме як дифузійне зварювання, є технікою зварювання, яка в основному  використовується в металообробці . Використовуючи дифузійне з’єднання, можна з’єднати два різні метали за принципом дифузії в твердому тілі. Цей метод зазвичай виконується при 50-70 % температури плавлення матеріалів. Після досягнення бажаної температури до матеріалів застосовується високий тиск . Дифузійне склеювання широко застосовується в атомній промисловості та аерокосмічній промисловості.

Фактичний процес налічує багато століть і використовувався для з’єднання золота та міді для ювелірних виробів. Радянський вчений Н. Ф. Казаков в 1953 році описав сучасні методи дифузійного з’єднання.

Висновки про дифузію

Дифузія – це явище, коли частинки переміщуються з області високої концентрації в область з меншою концентрацією частинок. Таким чином, зрозуміло, що чим нижча концентрація частинок, тим швидше вони рухатимуться, щоб зайняти цю область. І навпаки, чим більш насиченою стає область, тим повільніше рухатимуться ці частинки.

Пам’ятайте, що дифузія – це постійний і безперервний процес, і він багатоспрямований. Отже, якщо область стає насиченою, частинки продовжуватимуть подорожувати , поки не знайдуть область, де рівновага ще не досягнута.

Чистий рух молекул і фактори, що впливають на дифузію, мають великий вплив на клітинну біологію – у всіх організмах. Важливо знати, як ці взаємодії працюють і як вони підтримують життя.

Залишити відповідь