# Диффузия в газах, жидкостях и твёрдых телах

Физика · 7 класс · Движение и взаимодействие частиц вещества
Источник: https://razlozheno.ru/subject/fizika/7/10-diffuziya-v-gazah-zhidkostyah-i-tvyordyh-telah

Разберёмся, как вещества умеют перемешиваться сами — без ложки, без ветра, без встряхивания — и почему в жару это происходит быстрее, чем в холод.

## Чему научишься

- Объяснять, что такое диффузия, и приводить примеры для газов, жидкостей и твёрдых тел.
- Предсказывать, где диффузия пройдёт быстрее — в холодном или в горячем веществе — и почему.
- Объяснять, почему диффузия в твёрдых телах идёт медленнее всего, хотя она там тоже есть.

## С чего начать

Открытый флакон освежителя воздуха стоит в углу закрытой комнаты. Окна и двери закрыты, ветра нет, воздух совершенно неподвижен — никто ничего не размешивает. Почему через десять минут запах чувствуется уже у противоположной стены?

## 1. Диффузия: как вещества перемешиваются сами

*Почему запахи расползаются сами по себе — на примере варенья и медного купороса*

Поставь на стол открытую банку варенья и выйди из комнаты на пять минут. Когда вернёшься, запах будет чувствоваться уже у двери — хотя банку никто не тряс и воздух в комнате никто не гонял. Как аромат «сам» добрался до другого конца комнаты?

Представь тёмный зал, где сидят два класса у одной невидимой границы: слева пятиклассники, справа девятиклассники, каждый на своей половине. Никто не сидит смирно — каждый постоянно немного двигается, толкается локтем, пересаживается на соседнее место. Специально их никто не меняет местами, но через час зал окажется перемешанным по всей ширине. Молекулы ведут себя точно так же: там, где соприкасаются два разных вещества, их молекулы беспорядочно двигаются и постепенно заходят «на территорию» друг друга.

**Диффузия**

Явление взаимного проникновения соприкасающихся веществ друг в друга, происходящее в результате беспорядочного движения молекул, называют диффузией.

**Способ запомнить.** Слово «диффузия» — от латинского *diffusio*, «распространение, растекание». Если два вещества соприкасаются и никто не мешает их молекулам двигаться, они обязательно немного перемешаются на границе — даже без встряхивания и без ложки. Проверка себя: если результат появился без всякого внешнего перемешивания — это диффузия; если кто-то мешал ложкой или дул — это просто механическое перемешивание, а не она.

*Рисунок: Модель диффузии, кадр «до»: два сорта шариков-молекул в сосуде, граница между ними ещё резкая*

*Рисунок: Модель диффузии, кадр «в процессе»: шарики заходят на территорию друг друга, граница размывается*

*Рисунок: Модель диффузии, кадр «после»: шарики полностью перемешались, границы больше нет*

Похожий процесс можно увидеть и по-настоящему, без всякой модели с шариками — с водой и раствором медного купороса (он ярко-синий).

*Рисунок: Опыт с медным купоросом: пять цилиндров показывают один и тот же процесс в разные моменты времени*

**Пример: Диффузия в твёрдом теле — самый медленный случай**

1. Берут хорошо отшлифованную золотую пластину и хорошо отшлифованную свинцовую пластину.
2. Плотно прижимают их друг к другу и оставляют в таком положении, ничего больше не делая.
3. Диффузия наблюдается также и в твёрдых телах, но протекает она гораздо медленнее, чем в жидкостях: заметная диффузия в этих пластинах произойдёт лишь через три года — атомы золота проникнут в свинец, а атомы свинца проникнут в золото.

**Проверь себя:** В стакан с водой опустили кусочек сахара и не размешивают, не встряхивают. Пройдёт ли диффузия?
**Ответ:** Да — молекулы воды и сахара двигаются беспорядочно сами по себе, поэтому со временем раствор станет однородным и без размешивания, просто это происходит медленнее, чем с ложкой.

### Проверь себя

**Открытый флакон духов стоит в углу комнаты, воздух совершенно неподвижен. Через 20 минут запах чувствуется у противоположной стены. Что объясняет это явление?**
- Беспорядочное движение молекул воздуха и духов, которое постепенно перемешивает их друг с другом — диффузия. — верно
- Молекулы духов тяжелее молекул воздуха и поэтому сами стекают вдоль пола к дальней стене.
- Тепло от батареи создаёт незаметный поток воздуха, который переносит запах через всю комнату.
- Молекулы духов сильнее притягиваются к стенам комнаты, чем к молекулам воздуха.
> Даже без ветра и без встряхивания молекулы вещества постоянно движутся хаотично — этого достаточно, чтобы запах со временем распространился по всей комнате.

**Плотно прижали друг к другу отполированные золотую и свинцовую пластины и оставили лежать при комнатной температуре. Что произойдёт?**
- Ничего не произойдёт: в твёрдых телах диффузии не бывает вообще.
- Пластины за несколько минут сплавятся в одну однородную пластину.
- Атомы золота и свинца медленно проникнут друг в друга — но на это уйдут годы. — верно
- Атомы будут перемещаться, но лишь из свинца в золото, а не в обратную сторону.
> Диффузия идёт и в твёрдых телах, только очень медленно: заметный результат в опыте с золотом и свинцом появляется примерно через три года.

**В стакан аккуратно, без всякого перемешивания, налили сверху слой чистой воды на слой подкрашенного раствора медного купороса. Через несколько дней граница между слоями стала заметно размытой. Чем это объясняется?**
- Раствор медного купороса сам постепенно испаряется и оседает обратно уже перемешанным с водой.
- Молекулы воды и раствора беспорядочно двигаются и постепенно проникают друг в друга — это диффузия. — верно
- Стакан слегка нагрелся от комнатного воздуха, из-за чего раствор расширился и поднялся вверх.
- Свет, попадающий на стакан, меняет видимый цвет раствора у поверхности жидкости.
> Границу размыло взаимное проникновение молекул воды и раствора — тот самый опыт с медным купоросом, что показан на рисунке выше.

## 2. Скорость диффузии и температура

*Почему в горячем всё перемешивается быстрее*

Насыпь в стакан холодной воды ложку какао и не мешай — оно долго будет лежать комком на дне, окрашивая воду еле-еле. А в стакане горячего молока то же какао расходится по всему стакану за пару минут. Диффузия та же самая, но с разной скоростью. От чего это зависит?

Вернёмся к залу с двумя классами из прошлой части. Если все стоят на месте и лениво переминаются с ноги на ногу — перемешивание идёт медленно. А если все вдруг разбежались пошире (места между людьми стало больше) и стали двигаться быстрее — перемешивание идёт заметно живее. Молекулы горячего вещества ведут себя как раз как эта «разбежавшаяся» толпа: между ними больше пространства, и движутся они быстрее.

**Скорость диффузии и температура**

Скорость диффузии возрастает при увеличении температуры. Объяснить это можно двумя причинами: при повышении температуры увеличивается расстояние между молекулами и возрастает скорость движения молекул.

*Рисунок: Сравнение скорости диффузии чернил в холодной и горячей воде: одинаковая капля, одинаковое время*

**Способ запомнить.** Держи в голове два слова на «Т»: температура растёт → **т**олчея молекул усиливается (они движутся быстрее) и **т**еснота уменьшается (расстояние между ними увеличивается). Обе причины тянут в одну сторону — на ускорение диффузии, поэтому эффект получается заметным, а не еле уловимым. Проверка себя: если в задаче температуру подняли, а скорость диффузии, по твоему ответу, не изменилась или упала — где-то ошибка.

**Диффузия в разных агрегатных состояниях**

| Состояние | Как расположены и движутся молекулы | Насколько быстро идёт диффузия |
| --- | --- | --- |
| Газ | Далеко друг от друга, движутся быстро и почти свободно | Быстрее всего — секунды-минуты |
| Жидкость | Ближе друг к другу, движение более стеснённое | Заметно медленнее газа — часы-дни |
| Твёрдое тело | Почти вплотную, в основном колеблются на месте | Очень медленно — может занимать годы |

**Что на самом деле происходит с молекулами**

На молекулярном уровне «нагреть» вещество — значит заставить его молекулы двигаться быстрее и обычно немного отдалиться друг от друга (вещество слегка расширяется). Быстрая молекула чаще меняет соседей и дальше «убегает» от места, где была изначально, поэтому граница между веществами размывается быстрее. Вот почему один и тот же чай заваривается в кипятке за минуту, а в чуть тёплой воде — за десять.

**Проверь себя:** Одинаковую каплю чернил капнули, не перемешивая, в стакан с ледяной водой и в стакан с горячей водой. В каком стакане чернильное облако растечётся по всему объёму быстрее?
**Ответ:** В стакане с горячей водой — там молекулы движутся быстрее и находятся дальше друг от друга, поэтому диффузия идёт быстрее.

### Проверь себя

**Одну и ту же чайную ложку сахара положили без размешивания в стакан ледяного чая и в стакан горячего чая. В каком стакане сахар разойдётся по всему объёму быстрее и почему?**
- В ледяном — холодные молекулы плотнее упакованы и быстрее сталкивают сахар в стороны.
- Одинаково быстро в обоих случаях — на скорость диффузии влияет объём жидкости, а не её температура.
- В ледяном — там молекулы воды почти неподвижны, и сахару легче протолкнуться между ними.
- В горячем — молекулы там движутся быстрее и находятся дальше друг от друга, диффузия ускоряется. — верно
> Рост температуры ускоряет диффузию сразу по двум причинам: молекулы движутся быстрее и расстояние между ними увеличивается.

**В комнате с закрытыми окнами утром +15 °C, к вечеру батареи нагрели воздух до +25 °C. Открытый флакон освежителя весь день стоит в углу. Как нагрев комнаты повлияет на скорость распространения запаха?**
- Никак не повлияет — скорость диффузии не зависит от температуры воздуха, а зависит от других причин.
- Запах распространится быстрее — с ростом температуры молекулы движутся быстрее и дальше друг от друга. — верно
- Запах распространится медленнее — тёплый воздух становится гуще и мешает молекулам двигаться.
- Запах перестанет распространяться вовсе — при нагреве диффузия останавливается.
> Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы и тем больше расстояние между ними — обе причины ускоряют диффузию запаха.

## Ключевые термины

- **Диффузия** — Взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга за счёт беспорядочного движения молекул.
- **Агрегатное состояние** — Твёрдое, жидкое или газообразное состояние вещества — состояния отличаются расположением и подвижностью молекул.

## Итог

- Диффузия — взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга за счёт беспорядочного движения молекул, без размешивания.
- Диффузия идёт во всех трёх агрегатных состояниях, но с очень разной скоростью: быстрее всего в газах, медленнее всего в твёрдых телах.
- Скорость диффузии растёт при повышении температуры сразу по двум причинам: молекулы двигаются быстрее и расстояние между ними увеличивается.
- В твёрдых телах диффузия идёт настолько медленно, что заметный результат может потребовать годы — как в опыте с золотом и свинцом.
- Механическое перемешивание ложкой — не то же самое, что диффузия, хотя оба процесса могут идти одновременно.

## Шпаргалка

**Диффузия** — взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга из-за беспорядочного движения молекул, без внешнего перемешивания.

**Скорость по состояниям:** газ быстрее всего → жидкость заметно медленнее → твёрдое тело очень медленно (годы).

**Скорость и температура:** выше температура → диффузия быстрее, по двум причинам сразу — молекулы двигаются быстрее И расстояние между ними увеличивается.

## Любопытное

- Слово «диффузия» происходит от латинского diffusio — «распространение, растекание».
- Молекулы газа двигаются со скоростями порядка сотен метров в секунду, но диффузия всё равно кажется довольно медленной: каждая молекула на своём пути постоянно сталкивается с соседями и меняет направление, а не летит прямо к цели.