Vikipeedia

Difusioon: erinevus redaktsioonide vahel

Sirvi ajalugu interaktiivselt
← Vanem muudatusUuem muudatus →
Eemaldatud sisu Lisatud sisu
VisuaalneVikitekst
Eluslooduse osa on tõlgitud artiklist fi : Diffuusio
1. rida:
'''Difusioon''' ([[ladina keel]]e sõnast ''diffusio'' 'levimine, hajumine, laialivalgumine') ehk '''difundeerumine''' on [[aineosake]]ste [[soojusliikumine |soojusliikumisest]] tulenev loomulikult kulgev protsess, mille tagajärjel osakeste füüsikalise segu komponendid jagunevad tasakaaluliselt.<ref name="EE">[[Eesti entsüklopeedia|ENE]] 2. köide, 1987</ref> Näiteks ühe aine molekulid tungivad teise aine molekulide vahele ja vastupidi, nii et nende [[kontsentratsioon]]id ühtlustuvad kogu hõivatava mahu ulatuses.
{{keeletoimeta}}
 
Enamasti mõistetakse '''difusiooni''' ([[ladina keel|ladina]] sõnast ''diffusio'' 'levimine, hajumine, laialivalgumine') ehk '''difundeerumise''' all [[aine (füüsika)|aine]] või [[energia]] ülekandumist kõrge [[kontsentratsioon]]iga piirkonnast madala kontsentratsiooniga piirkonda<ref>Difusiooni mõiste alla käib ka [[omadifusioon]], mille puhul toimub küll aineosakeste ümberpaiknemine, kuid kontsentratsioonid ei muutu. Peale selle, teatud tingimustes erineb tasakaaluolek, millele difusioon viib, ühtlaste kontsentratsioonidega olekust, ning seetõttu ei pruugi liikumine tasakaaluoleku poole olla alati massi või energia liikumine suurema kontsentratsiooniga piirkonna poole.</ref>.
Difusiooniprotsess toimub kõikide [[agregaatolek]]utega keskkondades ([[tahkis]]tes, [[vedelik]]es, [[gaas]]ides ja [[plasma]]s).<br />Difusioon on pöördumatu protsess ja on üks süsteemi energia [[dispersioon]]i allikatest.
Difusioon on pöördumatu protsess ja on üks süsteemi energia [[dispersioon]]i allikatest.
 
== Difusiooni põhiliigid ==
===Omadifusioon===
Omadifusioon on mikroskoopiline protsess, mille korral toimub [[molekulosake]]ideste spontaanne segunemine [[osakemolekul]]steide kaootilise liikumise ([[Browni liikumine|Browni liikumise]]) tõttu. See leiab aset ka kontsentratsiooni (või [[keemiline potentsiaal |keemilise potentsiaal]]i) [[gradient |gradiendi]] puudumisel.▼
{{vaata|Omadifusioon}}
▲Omadifusioon on mikroskoopiline protsess, mille korral toimub [[molekul]]ide spontaanne segunemine [[osake]]ste kaootilise liikumise ([[Browni liikumine|Browni liikumise]]) tõttu.
 
See leiab aset ka kontsentratsiooni (või [[keemiline potentsiaal|keemilise potentsiaal]]i) [[gradient|gradiendi]] puudumisel.
 
Seda liiki difusiooni saab jälgida, lisades uuritavale ainele [[märgis]]eid, mis on küll sama keemilise koostisega, kuid teistsuguse [[isotoop]]koostisega.
 
=== Keemiline difusioon ===
Keemiline difusioon on makroskoopiline protsess, mis toimub kontsentratsiooni (keemilise potentsiaali) gradiendi korral ja tekitab netomassi transportimise.▼
{{vaata|Keemiline difusioon}}
▲Keemiline difusioon on makroskoopiline protsess, mis toimub kontsentratsiooni (keemilise potentsiaali) gradiendi korral ja tekitab netomassi transportimise.
 
Molekulaarse difusiooni puhul toimub lähteainete segunemine ehk ühe aine molekulide tungimine teise aine molekulide vahele.
 
See protsess on kirjeldatav difusioonivõrrandiga. Tegemist on alati [[mittetasakaaluline protsess|mittetasakaalulise protsessiga]], mis suurendab süsteemi [[entroopia]]t ja viib difusioonisüsteemi tasakaaltasakaalu poole.
 
=== Termodifusioon ===
Termodifusioon on gaasisegu või lahuste komponentide ülekandumine, mis toimub temperatuuri gradiendi korral. Statsionaarsetes oludes, kus temperatuurierinevust hoitakse pidevana ja aine vool puudub, tasakaalustatakse termodifusioon keemilise difusiooniga, sest segus või lahuses tekkib kontsentratsiooni gradient.
 
Seda nähtust saab kasutada näiteks ühe [[Keemiline element|elemendi]] [[isotoopide lahutamine|isotoopide lahutamisel]] (näiteks uraani rikastamisel).
Seda nähtust saab kasutada näiteks ühe [[Keemiline element|elemendi]] [[isotoop]]ide lahutamisel (näiteks uraani rikastamisel). Kui lasta gaasil, mis sisaldab erinevaid isotoope, difundeeruda läbi poorse membraani, siis väiksema massiga isotoobid läbivad kiiremini membraani, sest nende kiirus on suurem. Protsessi korratakse mitmeid kordi (isegi tuhandeid) kordi ja seetõttu on seadmed väga suured ja protsess aeglane. Kui lasta gaas või vedelik, mis sisaldab erinevaid isotoope, kambrisse, kus hoitakse üleval temperatuuri gradienti, siis koonduvad kergemad ja seega kiiremad isotoobid kambri soemasse ossa ja raskemad ning aeglasemad külmemasse ossa. Protsess on küll kiirem, kuid väga energiamahukas ja seega kallisaeganõudev.
 
Termodifusiooni difusioonitegur sõltub tugevasti molekulidevahelisest vastastikmõjust, seetõttu saab selle abil uurida molekulidevahelisi jõude.
 
== Difusiooni matemaatiline kirjeldamine ==
[[Termodünaamika]] seisukohalt on igasugust [[tasakaalustamisprotsess]]itasakaalustamise tekkitavaksprotsessi tekitavaks [[potentsiaal (füüsika) |potentsiaaliks]]iks [[entroopia]] kasv. Konstantse rõhu ''<math>p''</math> ja [[temperatuur]]i ''<math>T''</math> korral on selleks liikumapanevaks potentsiaaliks [[keemiline potentsiaal]] ''μ'', mis tekitab osakeste [[difusioonivoog|difusioonivoo]] ''J'' ja on võrdeline potentsiaali gradiendiga.
:<math> J = - K \left(\frac{\partial \mu}{\partial x}\right)_{p,T} </math>,
kus
* ''J'' – difusioonivoog (voolutihedus) <math>\left[ \frac {mol} {m^2 \cdot s} \right]</math>
*: ''μ''<math>J</math> –on keemilinedifusioonivoog potentsiaal in(voolutihedus) <math>\left[ \frac {J\text{mol}} {mol\text{m}^2 \cdot \text{s}} \right]</math>
*: ''x''<math>\mu</math> –on pikkuskeemiline potentsiaal <math>\left[ m\frac {\text{J}} {\text{mol}} \right]</math>
*: ''K'' –<math>x</math> konstanton pikkus <math>\left[ \frac {mol^2 \cdot s} text{m^3 \cdot kg} \right]</math>
: <math>K</math> on konstant <math>\left[ \frac {\text{mol}^2 \cdot \text{s}} {\text{m}^3 \cdot \text{kg}} \right]</math>
 
Enamikul juhtudel on keemilise potentsiaali asemel kasutatav molaarne kontsentratsioon ''c''. Kuna keemiline potentsiaal on seotud kontsentratsiooniga logaritmiliseltArvestades, siiset onkonstant suurte kontsentratsioonide puhul keemilise potentsiaali asendamine kontsentratsiooniga ebakorrektne. Kuid kui jätta sellised juhud vaatluse alt välja, siis saab teha järgnevad asendused.
:<math>K = \frac{Dc}{RT}</math>,▼
Arvestades, et konstant ''K'' on
kus
▲:<math>K = \frac{Dc}{RT}</math>
* '':<math>D''</math> – on difusioonitegur <math>\left[ \frac {\text{m}^2} {\text{s}} \right]</math>
* '':<math>c''</math> –on molaarne kontsentratsioon <math>\left[ \frac {\text{mol}} {\text{m}^3} \right]</math>
* '':<math>R''</math> –on [[universaalne gaasikonstant]] <math>\left[ \frac {\text{J}} {\text{K} \cdot \text{mol}} \right]</math>
* '':<math>T''</math> –on temperatuur <math>\left[ \text{K} \right]</math>
ja keemilise potentsiaali gradient on seotud kontsentratsiooni gradiendiga järgmiselt:
:<math>\frac{\partial\mu}{\partial x} = \frac{RT}{c}\frac{\partial c}{\partial x}</math>,
saame Ficki esimese seaduse, mis ütleb, et difusioonis osalevate osakeste voog läbi pinnaühiku on võrdeline kontsentratsiooni gradiendiga.
: <math>J = - D \frac{\partial c}{\partial x}</math>.
 
Ficki teine seadus seob kontsentratsiooni ruumilist ja ajalist muutumist.
: <math>\frac{\partial C}{\partial t} = D \frac{\partial^2 C}{\partial x^2}</math>.
Difusioonitegur ''<math>D''</math> sõltub temperatuurist (mida kõrgem on temperatuur, seda intensiivsemalt toimub difusioon).
 
== Difusioon elusorganismides ==▼
Difusiooniprotsessidel on looduses suur tähtsus. Sellega on seotud järgmised nähtused:
* [[hingamine|hingamisel]], [[hapnik]]u ja [[süsihappegaas]]i kontsentratsiooni erinevuse tõttu [[kopsud]]es ning [[kopsualveoolid]]e [[Kapillaar (anatoomia)|kapillaarides]] difundeerub hapnik [[veri|verre]] ja süsihappegaas verest välja (taimede puhul toimub enamasti vastupidine protsess);
 
== Difusioon gaasides ==
Gaasides sõltub difusiooni intensiivsus osakeste keskmisest vaba tee pikkusest <math> \bar{l} </math>, mis on tunduvalt suurem keskmisest molekulidevahelisest kaugusest ja osakeste keskmisest soojusliikumise kiirusest <math> \bar{v} </math>. Vastavalt difusioonitegur
:<math>D \cong \frac {1} {3}{\bar{l} \cdot \bar{v}}</math>.▼
Difusioonitegur gaasidele omab järgmist kuju:<br />
Difusioonitegur gaasides on pöördvõrdeline rõhuga (sest <math> \bar{l} \sim 1/p </math> ) ja võrdeline temperatuuri ruutjuurega (sest <math> \bar{v} \sim \sqrt{T}</math> ).▼
▲<math>D \cong \frac {1} {3}{l \cdot \bar{v}}</math>
* <math> \bar{v} </math> – osakeste [[keskmine kiirus]] <math>\left[ \frac {m} {s} \right]</math>
* <math> \bar{l} </math> – [[osakeste keskmine vaba tee pikkus]] <math>\left[ m \right]</math>
 
▲Difusioonitegur gaasides on pöördvõrdeline rõhuga (sest <math> \bar{l} \sim 1/p </math> ) ja võrdeline temperatuuri ruutjuurega (sest <math> \bar{v} \sim \sqrt{T}</math> ).
Kuna gaasides on osakeste vaba tee pikkus kordades suurem kui vedelikes ja tahkistes, siis on difusiooni protsess nendega võrreldes ka palju intensiivsem.
 
'''Osakeste difusioonile plasmas''' avaldab tuntavat mõju [[Elektriväli |elektri-]] ja [[magnetväli]]. Plasmas on võimalik erinevate ebastabiilsuste teke, mis võivad suurendada difusioonitegurit (väga tugeva magnetvälja puhul), erijuhtudel võib difusioonitegur muutuda ka väga väikeseks (nt magnetiseeritud plasmas).
 
== Difusioon vedelikes ==
Difusiooni kineetiline teooria vedelikes on palju keerulisem, kui gaaside difusiooni puhul, sest vedelike molekulidevaheline keskmine kaugus on nendevahelise vastastikmõju raadiusega samas suurusjärgus. See tähendab, et molekulidevaheline vastastikmõju poleon niisuurem väike nagukui gaasides. Vaba tee pikkuse mõiste ei oma vedelike puhul mõtet ja seetõttu ei ole võimalik luua piisavalt põhjendatud kineetilist võrrandit.
 
Difusiooni teooria vedelikes on arenenud kahel eri tasandil. Üks neist põhineb vedeliku ja tahkise struktuuri analoogial, teine, fundamentaalsem lähenemine, lähtub füüsika statistilistest printsiipidest ja lokaalse tasakaalu kujutelmast.
 
Esimesel juhul oletatakse vedelikul lokaalse korra olemasolu ja difusioon toimub molekuli "hüppamisehüppena" näol ühest tasakaalu asendisttasakaaluolekust teise. Iga hüpe toimub juhul, kui molekul saab piisava hulga energiat, et katkestada seosed naabermolekulidega ja liikuda teiste molekulide vahel olevale uuele, energeetiliselt kasulikumale, vabale kohale (vakantsile). Keskmine vahemaa selliste hüpete juures ei ületa molekulidevahelist vahemaad.
 
== Difusioon tahkistes ==
[[Tahkis]]e omabtäiusliku [[kristallstruktuur |struktuuriga]]i. Täiuslikusiga kristallis võnguvad osakesed tasakaaluasendi ümber ning üldjuhul ei saa lahkuda kristalli sõlmpunktist. ja difusioonDifusioon toimub tänupeamiselt kristallstruktuuri [[kristalli defekt|defektideledefektide]] tõttu.
 
=== Difusiooni mehhanism ===
Difusiooni toimumiseks tahkises on mitmeid võimalikke mehhanisme.
 
==== Otsese aatomite asukohavahetuse mehhanism ====
Aatomite omavahelise asukoha vahetuse difusioonimehhanism seisneb selles, et soodsatel tingimustel vahetavad kaks naaberaatomit omavahel "hüppeliselt" asukohta. AinukeSee on ainuke difusioonimehhanism, mis ei vaja toimumiseks defekte kristallstruktuuris. Selle mehhanismi tõenäosus on aga väga väike, sest nõuab väga suurt kristallvõre[[kristallivõre]] moonutust ja energia kõrget kontsentratsiooni väikeses piirkonnas. Pealegi pole seda võimalik katseliselt tõestada. Seega ei saa selle difusioonimehhanismiga põhjendada difusiooniprotsesse tahkises.
 
==== Sõlmpunktidevaheline difusioonimehhanism ====
Sõlmpunkti vaheline difusioonimehhanism seisneb selles, et aine ülekanne toimub sõlmedevaheliste aatomitega. Selline difusioon saab intensiivselt toimuda vaid siis, kui kristallis on mingil põhjusel suur hulk sõlmedevahelisi aatomeid ja nad saavad kergesti liikuda võre vahel. Selline difusioonimehhanism toimub näiteks lämmastiku difundeerumisel teemandis.
 
==== Vakantsmehhanism ====
Vakantsmehhanism, seisneb selles, et aatomid migreerivad kristallvõreskristallivõres vakantside (kristallvõreabil; need on kristallivõre sõlmpunktid, mis pole hõivatud aatomiga) abil. Vakantsi naabruses olevad aatomid võivad oma tasakaalu asenditasakaaluasendi ümber võnkudes saada vajaliku energia üleminekuks vakantsele (vabale) kohale, kusjuures tema endine asukoht jääb vakantseks ja võib olla hõivatud mõne teise naabruses oleva aatomi poolt. Energiat, mida vajatakse aatomi või vakantsi ülekandmiseks kristallvõreskristallivõres, nimetatakse aktivisatsiooni energiaks[[aktivatsioonienergiaks]].
 
KõikidesTahkiste difusiooniprotsessides leiavad enamasti aset kõik ülalmainitud difusioonimehhanismid.
 
=== Difusiooni sõltuvus tingimustesttemperatuurist ja rõhust ===
Isegi ühes ja samas kristallis võib difusioon toimuda eri mehhanismide najal ja erinevate aktivatsioonienergiatega. Difusioon võib olla keeruline mitmeastmeline protsess, millestkusjuures iga igaüksaste omab oma temperatuuri sõltuvust. [[Temperatuur]]i tõus kiirendab alati difusiooni protsessi.▼
==== Difusiooni sõltuvus temperatuurist ====
 
▲Isegi ühes ja samas kristallis võib difusioon toimuda eri mehhanismide najal ja erinevate aktivatsioonienergiatega. Difusioon võib olla keeruline mitmeastmeline protsess, millest igaüks omab oma temperatuuri sõltuvust. [[Temperatuur]]i tõus kiirendab alati difusiooni protsessi.
[[Rõhk]] avaldab difusioonile temperatuurist veelgi keerulisemat mõju difusioonile ja sõltub tugevasti difusiooni mehhanismist.▼
 
==== Difusiooni sõltuvus rõhust ====
▲[[Rõhk]] avaldab temperatuurist veelgi keerulisemat mõju difusioonile ja sõltub tugevasti difusiooni mehhanismist.
Kui difusioon kulgeb vakantsmehhanismi järgi, siis rõhu suurenemine vähendab vakantside arvu, sest vakantside tekkimisel suureneb kristalli ruumala, rõhu suurenedes ruumala aga väheneb ja seda paljuski vakantside arvel. Vakantside arvu vähenemisel difusioon aeglustub.
Kui difusioon kulgeb sõlmedevahelise difusioonimehhanismi järgi, siis ühelt poolt suurendab rõhu tõusmine sõlmpunktidevaheliste aatomite arvu, mis kiirendab difusiooni, teiselt poolt aga aatomitevaheline ala muutub kitsamaks ja aatomite vahel läbipääsemine muutub raskendatuks, mis aeglustab loomulikult difusiooni.▼
 
▲Kui difusioon kulgeb sõlmedevahelise difusioonimehhanismi järgi, siis ühelt poolt suurendab rõhu tõusminetõus sõlmpunktidevaheliste aatomite arvu, mis kiirendab difusiooni, teiselt poolt aga muutub aatomitevaheline ala muutub kitsamaks ja aatomite vahel läbipääsemine muutub raskendatuks, mis aeglustab loomulikult difusiooni.
== Vaata ka ==▼
 
*[[Browni liikumine]]▼
▲== Difusioon elusorganismideseluslooduses ==
*[[difusioonlimiteeritud reaktsioon]]▼
Difusioonil on eriti suur tähtsus [[bioloogia]]s.
*[[osmoos]]▼
* Hingamisel difundeerub [[hapnik]] [[kopsualveool]]ides verre ja [[süsihappegaas]] (CO<sub>2</sub>) [[veri |verest]] välja nende kontsentratsioonide erinevuse tõttu. Difusiooni tulemusena muutub hapniku osarõhk alveoolides suuremaks kui veres, vastupidiselt süsihappegaasi rõhu muutusele.
* [[Rakk|Raku]] sees ained difundeeruvad [[tsütoplasma]] ümber. Mitmed [[ensüüm]]id ja nende [[substraat |substraadid]] difundeeruvad teistesse samalaadsetesse ainetesse.
* Gaasid ja [[hüdrofoobsus |hüdrofoobsed]] ained (väikesed rasvaosakesed) võivad difundeeruda otse läbi [[rakumembraan]]i, kuna aga [[hüdrofiilsus |hüdrofiilsed]] osakesed ja [[ioon]]id saavad membraani läbida ainult ioonikanalite kaudu ja [[proteiin]]ide kaasabil. Läbi membraani siseneb näiteks rakku hapnik ümbritsevast veresoonest, sest raku sees on hapniku sisaldus väiksem kui veresoones. Vastavalt CO<sub>2</sub> siirdub rakust veresoonde sama toimemehhanismi abil.
 
==Viited==
{{viited}}
 
▲== Vaata ka ==
▲*[[Browni liikumine]]
▲*[[difusioonlimiteeritudDifusioonlimiteeritud reaktsioon]]
▲*[[osmoosOsmoos]]
 
[[Kategooria:Füüsika]]
Pärit leheküljelt "https://et.wikipedia.org/wiki/Difusioon"