Запах свіжозвареної кави поступово поширюється кухнею, крапля чорнила забарвлює воду, а цукор згодом робить солодким увесь чай, навіть якщо його не розмішувати. За цими звичними явищами стоїть один фізичний процес — дифузія.
Дифузія відбувається практично всюди: в атмосфері, водоймах, живих організмах і навіть твердих металах. Саме завдяки їй кисень переходить із легень у кров, а клітини можуть обмінюватися деякими речовинами з навколишнім середовищем.
Що таке дифузія простими словами
Дифузія — це процес самовільного переміщення та взаємного проникнення частинок речовин унаслідок їхнього хаотичного теплового руху. Якщо в одній ділянці концентрація певної речовини більша, ніж в іншій, дифузія зазвичай призводить до її поступового вирівнювання.
Наприклад, якщо капнути трохи харчового барвника в склянку з нерухомою водою, спочатку колір буде насиченим лише біля краплі. Згодом забарвлена ділянка розширюватиметься, поки барвник не розподілиться більш рівномірно.
Важливо, що частинки не знають, куди їм потрібно рухатися. Кожна з них переміщується хаотично, постійно взаємодіючи з іншими частинками. Проте в цілому виникає закономірний результат: речовина поширюється з області більшої концентрації в область меншої.
Такий сумарний рух називають дифузійним потоком.
Як відбувається дифузія
Молекули газів і рідин перебувають у безперервному тепловому русі. Вони змінюють напрямок, зіштовхуються з іншими частинками та поступово розподіляються в доступному просторі.
На початку процесу в одній частині простору може бути значно більше молекул певної речовини, ніж в іншій. Оскільки частинок там більше, за однакових умов більше їх переходить із цієї області назовні, ніж повертається назад. У результаті різниця концентрацій зменшується.
Коли концентрації вирівнюються, дифузія не припиняється повністю. Молекули продовжують хаотично рухатися, але за однакових умов у кожному напрямку в середньому переходить приблизно однакова кількість частинок. Такий стан називають динамічною рівновагою.
Приклади дифузії в повсякденному житті
Найпростіше зрозуміти дифузію на прикладах, які ми спостерігаємо щодня.
- Запах парфумів у кімнаті. Молекули ароматичних речовин випаровуються та поширюються повітрям. У реальному приміщенні цьому також допомагають повітряні потоки.
- Чайний пакетик у воді. Розчинні речовини з чайного листя переходять у воду й поступово поширюються нею.
- Цукор у чаї. Після розчинення молекули цукру можуть розподілятися рідиною завдяки дифузії. Перемішування значно прискорює цей процес.
- Соління огірків. Розчинені солі поступово проникають усередину рослинних тканин. Тут дифузія поєднується з іншими процесами перенесення води й речовин.
- Забарвлення тканини. Молекули барвника проникають у волокна матеріалу, а швидкість процесу залежить від температури, складу барвника та властивостей тканини.
У багатьох побутових ситуаціях дифузія діє разом з іншими явищами. Наприклад, запах їжі на кухні поширюється не лише через хаотичний рух молекул, а й завдяки циркуляції повітря.
Дифузія в газах, рідинах і твердих тілах
Дифузія можлива в усіх трьох основних агрегатних станах речовини, але швидкість процесу суттєво відрізняється.
У твердих тілах атоми не переміщуються так вільно, як молекули газу. Проте за певних умов вони можуть переходити між положеннями в кристалічній структурі.
Це явище має велике значення в металургії. Наприклад, під час цементації сталі атоми вуглецю дифундують у її поверхневі шари за високої температури. Завдяки цьому після відповідної термічної обробки поверхню металу можна зробити твердішою та стійкішою до зношування.
Від чого залежить швидкість дифузії
На швидкість дифузії впливають температура, властивості частинок і середовища, різниця концентрацій та відстань, яку потрібно подолати.
Температура. З підвищенням температури дифузія в більшості звичайних умов прискорюється. Саме тому барвник зазвичай швидше поширюється в гарячій воді, ніж у холодній, навіть якщо не враховувати перемішування.
Розмір і природа частинок. Невеликі молекули часто дифундують швидше за великі в тому самому середовищі, хоча швидкість залежить також від їхньої форми та взаємодії з навколишніми молекулами.
Різниця концентрацій. Що більша різниця концентрацій між двома ділянками, то інтенсивнішим за інших однакових умов буде дифузійний потік.
Властивості середовища. В'язкість рідини, щільність структури матеріалу та наявність перешкод впливають на те, наскільки легко частинки можуть переміщуватися.
Відстань. Дифузія особливо ефективна на малих відстанях. Характерний час дифузійного поширення зростає приблизно пропорційно квадрату відстані. Тобто збільшення відстані вдвічі може збільшити потрібний час приблизно вчетверо.
Остання особливість пояснює, чому дифузія добре забезпечує обмін речовинами всередині окремої клітини, але для транспортування кисню на значні відстані в людському тілі потрібна кровоносна система.
Яку роль дифузія відіграє в організмі людини
Один із найважливіших прикладів дифузії — газообмін у легенях.
Усередині легень розташовані мільйони крихітних повітряних мішечків — альвеол. Їхні тонкі стінки відділяють вдихуване повітря від крові в капілярах.
Кисень переходить з альвеолярного повітря в кров завдяки різниці парціальних тисків. Водночас вуглекислий газ рухається у протилежному напрямку — з крові до альвеол, звідки видаляється під час видиху.
Цей газообмін відбувається без необхідності витрачати енергію клітин безпосередньо на перенесення молекул кисню чи вуглекислого газу через дихальну мембрану.
Дифузія також бере участь в обміні речовинами між кров'ю та тканинами. А на рівні окремих клітин допомагає переміщувати певні молекули через клітинні мембрани та всередині цитоплазми.
Чим дифузія відрізняється від осмосу
Ці два поняття часто плутають, оскільки обидва описують пасивне перенесення речовин.
Осмос — це перенесення води через вибірково проникну мембрану, зумовлене різницею хімічного потенціалу води по обидва боки мембрани. У простих випадках вода переміщується в бік розчину з більшою концентрацією розчиненої речовини, яка не може проходити через мембрану.
Наприклад, якщо помістити рослинну клітину в достатньо концентрований сольовий розчин, вода виходитиме з неї через мембрану. Клітина втрачатиме воду, а її внутрішній вміст може відходити від клітинної стінки. Це явище називають плазмолізом.
Отже, дифузія — ширше поняття, а осмос можна розглядати як особливий випадок пасивного перенесення води через мембрану.
Чи потрібна енергія для дифузії
Дифузія належить до пасивних процесів. Для неї не потрібна окрема витрата клітинної енергії у вигляді АТФ, як у випадку активного транспорту речовин через мембрану.
Проте це не означає, що частинки рухаються без енергії взагалі. Їхній хаотичний рух пов'язаний із тепловою енергією речовини.
Дифузія відбувається самовільно, оскільки за відповідних умов система переходить від менш імовірного нерівномірного розподілу частинок до більш імовірного рівномірного.
З погляду термодинаміки цей процес пов'язаний зі зростанням ентропії ізольованої системи.
Де ще використовують поняття дифузії
Слово «дифузія» походить від латинського diffusio — «розливання», «поширення». Тому з часом воно вийшло за межі фізики й хімії.
У соціології говорять про дифузію інновацій — поширення нових ідей, технологій і способів поведінки серед людей. Наприклад, як спочатку невелика група починає користуватися новою технологією, а згодом її переймає значна частина суспільства.
У культурології термін «культурна дифузія» означає поширення культурних елементів між спільнотами: традицій, страв, музичних жанрів, слів або технологій.
А в фотографії та кінематографі дифузією світла називають його розсіювання, яке допомагає отримати м'якше освітлення й менш різкі тіні.
У всіх цих випадках зберігається спільна ідея поширення, хоча конкретні механізми суттєво відрізняються від молекулярної дифузії.
