Диффузия в домашних условиях

Содержание
  1. Что такое диффузия и её причины, где она протекает быстрее всего, примеры из окружающего мира
  2. Диффузия в физике: определение
  3. Причины возникновения
  4. Диффузия в газах
  5. Как протекает диффузия в жидкостях
  6. Диффузия в твёрдых телах: примеры
  7. Примеры диффузии в окружающем мире
  8. Подробно про диффузию в газах жидкостях и твердых телах подробно рассказано в видео
  9. Сглаживание изображений фильтром анизотропной диффузии Перона и Малика
  10. Введение
  11. Фильтр Перона и Малика
  12. Теория
  13. Дискретизация
  14. Алгоритм и реализация на языке Fortran
  15. Примеры диффузии в быту, в природе, в твердых телах. Примеры диффузии в окружающем мире
  16. Броуновское движение
  17. Диффузия
  18. Газы и диффузия
  19. Диффузия в жидкостях
  20. Примеры диффузии в быту
  21. Диффузия сквозь пластик
  22. Как иод «сбегает» из пакета в стакан?
  23. Почему раствор в стакане синеет?
  24. Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе
  25. Что такое диффузия?
  26. Причины диффузии
  27. Формула диффузии
  28. Диффузия в твердых телах
  29. Диффузия, видео
  30. Диффузионная сварка: суть метода, где применяется и что это такое, инструменты и материалы
  31. Процесс и технология
  32. Необходимая техника
  33. Плюсы и минусы
  34. Плюсы
  35. Минусы
  36. Вывод

Что такое диффузия и её причины, где она протекает быстрее всего, примеры из окружающего мира

Диффузия в домашних условиях

О таком понятии, как диффузия, слышали абсолютно все люди. Это было одной из тем на уроках физики в 7 классе. Несмотря на то что это явление окружает нас абсолютно везде, мало кто знает о нём. Что же оно всё-таки означает? В чём заключается его физический смысл, и как можно облегчить жизнь с её помощью? Сегодня мы с вами об этом и поговорим.

  • Диффузия в физике: определение
  • Причины возникновения
  • Диффузия в газах
  • Как протекает диффузия в жидкостях
  • Диффузия в твёрдых телах: примеры
  • Примеры диффузии в окружающем мире
  • Подробно про диффузию в газах жидкостях и твердых телах подробно рассказано в видео.

Диффузия в физике: определение

Это — процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Говоря простым языком, этот процесс можно назвать смешиванием. Во время этого смешивания происходит взаимное проникновение молекул вещества друг между другом. Например, при приготовлении кофе молекулы растворимого кофе проникают в молекулы воды и наоборот.

Скорость этого физического процесса зависит от следующих факторов:

  1. Температура.
  2. Агрегатное состояние вещества.
  3. Внешнее воздействие.

: МПА в атмосферы, как правильно перевести давление?

Чем выше температура вещества, тем быстрее движутся молекулы. Следовательно, процесс смешивания происходит быстрее при высоких температурах.

Агрегатное состояние вещества — важнейший фактор. В каждом агрегатном состоянии молекулы движутся с определённой скоростью.

Диффузия может протекать в следующих агрегатных состояниях:

  1. Газ.
  2. Жидкость.
  3. Твёрдое тело.

Скорее всего, у читателя сейчас возникнут следующие вопросы:

  1. Каковы причины возникновения диффузии?
  2. Где она протекает быстрее?
  3. Как она применяется в реальной жизни?

Ответы на них можно узнать ниже.

: энтропия — это что такое, где применяется термин?

Причины возникновения

Абсолютно у всего в этом мире есть своя причина. И диффузия не является исключением. Физики прекрасно понимают причины её возникновения. А как донести их до обычного человека?

Наверняка каждый слышал о том, что молекулы находятся в постоянном движении. Причём это движение является беспорядочным и хаотичным, а его скорость очень большая. Благодаря этому движению и постоянному столкновению молекул происходит их взаимное проникновение.

Есть ли какие-то доказательства этого движения? Конечно! Вспомните, как быстро вы начинали чувствовать запах духов или дезодоранта? А запах еды, которую готовит ваша мама на кухне? Вспомните, как быстро готовится чай или кофе. Всего этого не могло быть, если бы не движение молекул. Делаем вывод — основная причина диффузии заключается в постоянном движении молекул.

[attention type=yellow]

Теперь остаётся только один вопрос — чем же обусловлено это движение? Оно обусловлено стремлением к равновесию. То есть, в веществе есть области с высокой и низкой концентрацией этих частиц.

[/attention]

И благодаря этому стремлению они постоянно движутся из области с высокой концентрацией в низкоконцентрированную.

Они постоянно сталкиваются друг с другом, и происходит взаимное проникновение.

Интересно знать: Система отсчета это что такое, определение и виды.

Диффузия в газах

Процесс смешивания частиц в газах самый быстрый. Он может происходить как между однородными газами, так и между газами с разной концентрацией.

Яркие примеры из жизни:

  1. Вы чувствуете запах освежителя воздуха благодаря диффузии.
  2. Вы чувствуете запах приготовленной пищи. Заметьте, его вы начинаете чувствовать сразу, а запах освежителя через несколько секунд. Это объясняется тем, что при высокой температуре скорость движения молекул больше.
  3. Слезы, возникающие у вас при нарезании лука. Молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха, и ваши глаза на это реагируют.

Как протекает диффузия в жидкостях

Диффузия в жидкостях протекает медленнее. Она может длиться от нескольких минут до нескольких часов.

Самый яркие примеры из жизни:

  1. Приготовление чая или кофе.
  2. Смешивание воды и марганцовки.
  3. Приготовление раствора соли или соды.

В этих случаях диффузия протекает очень быстро (до 10 минут). Однако если к процессу будет приложено внешнее воздействие, например, размешивание этих растворов ложкой, то процесс пойдёт гораздо быстрее и займёт не более одной минуты.

Диффузия при смешивании более густых жидкостей будет происходить гораздо дольше. Например, смешивание двух жидких металлов может занимать несколько часов. Конечно, можно сделать это за несколько минут, но в таком случае получится некачественный сплав.

Например, диффузия при смешивании майонеза и сметаны будет протекать очень долго. Однако, если прибегнуть к помощи внешнего воздействия, то этот процесс и минуты не займёт.

Диффузия в твёрдых телах: примеры

В твёрдых телах взаимное проникновение частиц протекает очень медленно. Этот процесс может занять несколько лет. Его длительность зависит от состава вещества и структуры его кристаллической решётки.

Опыты, доказывающие, что диффузия в твёрдых телах существует.

  1. Слипание двух пластин разных металлов. Если держать эти две пластины плотно друг к другу и под прессом, в течение пяти лети между ними будет слой, имеющий ширину 1 миллиметр. В этом небольшом слое будут находиться молекулы обоих металлов. Эти две пластины будут слиты воедино.
  2. На тонкий свинцовый цилиндр наносится очень тонкий слой золота. После чего эта конструкция помещается в печь на 10 дней. Температура воздуха в печи — 200 градусов Цельсия. После того как этот цилиндр разрезали на тонкие диски, было очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.

Примеры диффузии в окружающем мире

Как вы уже поняли, чем тверже среда, тем меньше скорость смешивания молекул. Теперь давайте поговорим о том, где в реальной жизни можно получить практическую пользу от этого физического явления.

Процесс диффузии происходит в нашей жизни постоянно. Даже когда мы лежим на кровати, очень тонкий слой нашей кожи остаётся на поверхности простыни. А также в неё впитывается пот. Именно из-за этого постель становится грязной, и её необходимо менять.

Так, проявление этого процесса в быту может быть следующим:

  1. При намазывании масла на хлеб оно в него впитывается.
  2. При засолке огурцов соль сначала диффундирует с водой, после чего солёная вода начинает диффундировать с огурцами. В результате чего мы получаем вкуснейшую закуску. Банки необходимо закатывать. Это нужно для того, чтобы вода не испарялась. А точнее, молекулы воды не должны диффундировать с молекулами воздуха.
  3. При мытье посуды молекулы воды и чистящего средства проникают в молекулы оставшихся кусочков еды. Это помогает им отлипать от тарелки, и сделать её более чистой.

Проявление диффузии в природе:

  1. Процесс оплодотворения происходит именно благодаря этому физическому явлению. Молекулы яйцеклетки и сперматозоида диффундируют, после чего появляется зародыш.
  2. Удобрение почв. Благодаря использованию определённых химических средств или компоста почва становится более плодородной. Почему так происходит? Суть в том, что молекулы удобрения диффундируют с молекулами почвы. После чего процесс диффузии происходит между молекулами почвы и корня растения. Благодаря этому сезон будет более урожайным.
  3. Смешивание производственных отходов с воздухом сильно загрязняет его. Из-за этого в радиусе километра воздух становится очень грязным. Его молекулы диффундируют с молекулами чистого воздуха из соседних районов. Именно так ухудшается экологическая обстановка в городе.

Проявление этого процесса в промышленности:

  1. Силицирование — процесс диффузионного насыщения кремнием. Он проводится в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой детали имеет не очень высокую твёрдость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серной кислотах.
  2. Диффузия в металлах при изготовлении сплавов играет большую роль. Для получения качественного сплава необходимо производить сплавы при высоких температурах и с внешним воздействием. Это значительно ускорит процесс диффузии.

Эти процессы происходят в различных областях промышленности:

  1. Электронная.
  2. Полупроводниковая.
  3. Машиностроение.

Как вы поняли, процесс диффузии может оказывать на нашу жизнь как положительный, так и отрицательный эффект. Нужно уметь управлять своей жизнью и максимально использовать пользу от этого физического явления, а также минимизировать вред.

Теперь вы знаете, в чём сущность такого физического явления, как диффузия. Она заключается во взаимном проникновении частиц благодаря их движению. А в жизни движется абсолютно все. Если вы школьник, то после прочтения нашей статьи вы точно получите оценку 5. Успехов вам!

Подробно про диффузию в газах жидкостях и твердых телах подробно рассказано в видео

Источник: https://obrazovanie.guru/nauka/fizika/diffuziya-opredelenie-i-primery-v-okruzhayushhem-mire.html

Сглаживание изображений фильтром анизотропной диффузии Перона и Малика

Диффузия в домашних условиях

Фильтр анизотропной диффузии Перона и Малика — это сглаживающий цифровые изображения фильтр, ключевая особенность которого состоит в том, что при сглаживании он сохраняет и «усиливает» границы областей на изображении.

В статье я кратко рассмотрю зачем нужен этот фильтр, теорию по нему и как его реализовать алгоритмически, приведу код на языке Fortran и примеры сглаженных изображений.

Крайнее левое изображение — оригинальное, справа от оригинального — фильтрованные с различными параметрами.

Введение

В обработке изображений (особенно в машинном зрении) не редко встают задачи сегментации или выделения границ областей. Но если изображение получается как результат обработки информации с некоторого физического устройства как фотоаппарат, томограф и т.д.

, то оно обычно зашумлено, причем природа шумов на изображении может быть разная — как вызванная физическими явлениями, так и различными алгоритмическими и аппаратными особенностями.

Шумы сильно усложняют задачи сегментации и выделения границ, поэтому, обычно, такие изображение сперва пропускают через некоторые сглаживающие фильтры, которые помимо сглаживания шумов, сглаживают и все остальное, что хорошо для той же сегментации, ведь несущественных деталей становится меньше.

Изображение, если рассматривать его как функцию двух переменных, становится более гладким, что существенно облегчает выделение областей на нем. Тем не менее, при использовании таких фильтров мы еще и сглаживаем границы областей внутри изображения. То есть, чем сильнее сглаживание, тем больше мы отходим от изначальных границ.

В некоторых задачах это может быть допустимо, но, например, в медицине, в автоматической сегментации снимков томографии различных частей человеческого тела, важно сохранить изначальные границы областей (здесь в роли областей выступают внутренние органы, их деформации, различные опухоли и т.д.).

Формального математически строго определения границы области для произвольного изображения не существует (это бы решило очень много проблем в теории обработки изображений).

Фильтр Перона и Малика

Впервые был описан в статье указанных математиков в 1990 году (ссылка на статью приведена в «источниках» в конце поста). Не будем вдаваться в глубокие теоретические детали, а хотя бы поверхностно рассмотрим как работает фильтр.

Здесь и далее рассматриваются изображения в градациях серого. Для цветных можно проводить сглаживания по каждому каналу независимо.

Теория

Итак, в фильтре анизотропной диффузии сглаженное изображение представляет собой некоторый член семейства изображений, полученных решением следующего уравнения математической физики: C начальным условием: Где:

— однопараметрическое семейство изображений; чем больше , тем больше степень размытия исходного изображения;

— исходное изображение;
— производная по ;
— оператор дивергенции;
— градиент;

С точки зрения теории, изображение — это некоторая непрерывная функция двух переменных, а сама картинка (матрица пикселей) — дискретизация этой функции. Причем 0 соответствует нулевой яркости точки изображения, то есть обозначает черный цвет.

По своей сути фильтр анизотропной диффузии является модификацией фильтра Гаусса.

Если подставить вместо, пока еще не рассмотренной, функции единицу, то есть , то получается уравнение изотропной диффузии:

Математики Коендеринк и Гумел показали, что такое семейство размытых изображений по параметру , можно эквивалентно получить как решение уравнения свертки функции изображения с ядром Гаусса (это и есть фильтр Гаусса):
Где:

— оператор свертки;

— функция ядра Гаусса c нулевым математическим ожиданием и среднеквадратичным отклонением;

Очевидно, функция играет роль некоторого «регулировщика» сглаживания.

Исходя из уравнения фильтра (1), для сохранения изначального значения в точке изображения нужно, чтобы производная по времени равнялась нулю (то есть значение на любых слоях размытия было константой). Получаем следующие условия на функцию :

— на границах;

— внутри областей, иначе говоря, внутри областей должно происходить обычное гауссово размытие;

Перона и Малик использовали градиент функции изображения как простую для расчета и достаточно точную аппроксимацию границ областей. Чем больше норма градиента, тем четче граница. Исходя из этого получаем:

Где — некоторая функция с областью значений на отрезке .

Из-за нечеткого определения границ через норму градиента, требуют также, чтобы функция была монотонной убывающей.

Перона и Малик предложили два варианта функции :

Где — параметр, определяемый либо опытным путем, либо некоторым «измерителем» зашумленности.

Рассмотрим детальнее вторую функцию (формула 3). Для этого построим графики функции для нескольких разных .

Видно, что чем больше , тем больше значение функции для любой фиксированной точки.

Например, пусть в некоторой точке изображения, назовем ее , мы знаем значение нормы градиента на уровне : . Тогда , в то время как .

Получается в первом случае мы слабо «сгладили» значение в точке, так как по введенному ранее критерию она скорее всего лежит на границе, а во втором — значение функции практически единица, соответственно точка не считается граничной и будет сглажена обычным гауссовым размытием.

Таким образом, выступает в роли «барьера» для шумов, и с возрастанием возрастает «требование» на то, что точка будет считаться граничной.

Дискретизация

Для того чтобы перейти непосредственно к алгоритму фильтра, произведем дискретизацию уравнения. Достаточно простой с точки зрения математических выкладок и нетребовательной к вычислениям будет дискретизация уравнения методом конечных разностей.

Для удобства перепишем основное уравнение: Теперь запишем конечно-разностную явную схему:

Записать условие устойчивости для получившейся явной схемы — нетривиальная задача из-за нелинейности уравнения. Но Перона и Малик определили, что при схема будет устойчива для всех .

Учитывая этот факт и то, что дискретным представлением функции изображения будет матрица значений пикселей, перепишем основную расчетную схему в матричном виде:

Где:

Для расчета коэффициентов вначале необходимо вычислить норму градиента. Самый простой способ аппроксимировать норму градиента — это заменить ее на длину проекции градиента на соответствующую ось разностной сетки.

Хотя это достаточна грубая замена, аппроксимирующая несколько другое уравнение диффузии, она тем не менее также обеспечивает сохранение общей яркости изображения, а также дает практически идентичные результаты в сравнении с более точной аппроксимацией нормы градиента, выигрывая у последней в скорости вычислений. Окончательно расчетная формула будет выглядеть так: Где:

Схематично расчетную схему можно изобразить как на рисунке ниже. То есть новое значение зависит от текущего значения и значений четырех соседей ячейки матрицы. Возникает вопрос — как пересчитывать граничные ячейки, ведь расчетная схема в таком случае будет выходить за пределы матрицы.
Чтобы фильтр менял значения яркости в ячейках в рамках максимума и минимума яркости исходного изображения, процесс, описанный основным уравнением, должен быть адиабатическим. Отсюда имеем граничное условие Дирихле вида: . То есть просто заполняем границы нулями.

Алгоритм и реализация на языке Fortran

Исходя из расчетной формулы в памяти всегда придется держать как минимум два двумерных массива, первый будет соответствовать оригинальному изображению, второй — размытому. Если провести аналогию с фильтром Гаусса, то для размытия изображения с радиусом в фильтре Перона и Малика нам нужно выполнить повторений полного пересчета изображения, каждый раз заменяя изображение с предыдущего слоя размытия на «оригинальное». Последовательность действий будет примерно такая:

  1. Определяем ширину и высоту изображения (назовем w и h соответственно);
  2. Выделяем память под двумерный массив размерностью (w+2)*(h+2) (назовем I);
  3. Выделяем память под двумерный массив размерностью (w+2)*(h+2) (назовем BlurI);
  4. Заполняем массив нулями I=0;
  5. Считываем изображение и записываем данные пикселей в центр массива I (то есть оставляем слева, справа, сверху, снизу по одному нулевому столбцу или строке);
  6. Повторяем пока level

Источник: https://habr.com/ru/post/331618/

Примеры диффузии в быту, в природе, в твердых телах. Примеры диффузии в окружающем мире

Диффузия в домашних условиях

Видели ли вы когда-нибудь полчища мелких назойливых мошек, беспорядочно роящихся над головой? Иной раз кажется, что они как будто неподвижно висят в воздухе.

С одной стороны этот рой неподвижен, с другой — насекомые внутри него безостановочно движутся то вправо, то влево, то вверх, то вниз, постоянно сталкиваясь друг с другом и разлетаясь вновь в пределах этого облака, как будто невидимая сила удерживает их вместе.

Движения молекул носят похожий хаотичный характер, при этом тело сохраняет стабильную форму. Такое движение называется тепловым движением молекул.

Броуновское движение

В далеком 1827 году известный британский ботаник Роберт Броун при помощи микроскопа изучал поведение микроскопических частиц цветочной пыльцы в воде. Он обратил внимание на то, что частички постоянно двигались в хаотичном, не поддающемся логическому объяснению порядке, и это беспорядочное движение не зависело ни от движения жидкости, в которой они находились, ни от ее испарения.

Мельчайшие частички пыльцы описывали сложные, загадочные траектории. Интересно то, что интенсивность такого движения не снижается со временем и не связано с химическими свойствами среды, а только увеличивается, если уменьшается вязкость этой среды или размеры движущихся частиц.

Кроме этого, большое влияние на скорость движения молекул оказывает температура: чем она выше, тем частицы движутся быстрее.

Диффузия

Давным-давно люди поняли, что все вещества на свете состоят из мельчайших частиц: ионов, атомов, молекул, и между ними имеются промежутки, и эти частицы постоянно и хаотично движутся.

Следствием теплового движения молекул является диффузия. Примеры мы можем наблюдать практически везде в повседневной жизни: и в быту, и в живой природе. Это распространение запахов, склеивание различных твердых предметов, перемешивание жидкостей.

Говоря научным языком, диффузия — это явление проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества.

Газы и диффузия

Самый простой пример диффузии в газах — это довольно быстрое распространение в воздухе запахов (как приятных, так и не очень).

Диффузия в газах может быть крайне опасной, из-за этого явления молниеносно протекает отравление угарным и другими ядовитыми газами.

Диффузия в жидкостях

Если диффузия в газах происходит быстро, чаще всего за считанные секунды, то диффузия в жидкостях занимает целые минуты и иногда даже часы. Это зависит от плотности и температуры.

Одним из примеров диффузии в жидкостях является очень быстрое растворение солей, спиртов и кислот, за короткое время образующих однородные растворы.

В твердых телах диффузия протекает труднее всего, при обычной комнатной или уличной температуре она незаметна. Во всех современных и старых школьных учебниках в качестве примера диффузии в твердых телах описан опыт со свинцовой и золотой пластинками.

[attention type=red]

Этот эксперимент показал, что только по прошествии более четырех лет в свинец проникло ничтожно малое количество золота, а свинец проник в золото на глубину не более пяти миллиметров.

[/attention]

Такое различие обусловлено тем, что плотность свинца намного выше плотности золота.

Следовательно, скорость и интенсивность диффузии не в последнюю очередь зависит от плотности вещества и скорости хаотичного движения молекул, а скорость, в свою очередь — от температуры. Диффузия интенсивнее и быстрее протекает при более высоких температурах.

Примеры диффузии в быту

Мы даже не задумываемся о том, что ежедневно практически на каждом шагу встречаем явление диффузии. Именно поэтому это явление считается одним из самых значительных и интересных в физике.

Один из простейших примеров диффузии в быту — растворение сахара в чае или кофе. Если в стакан с кипятком поместить кусочек сахара, он через некоторое время исчезнет бесследно, при этом даже объем жидкости практически не изменится.

Если внимательно осмотреться вокруг, можно найти немало примеров диффузии, облегчающих наш быт:

  • растворение стирального порошка, марганцовки, соли;
  • распыление освежителей воздуха;
  • аэрозоли для горла;
  • вымывание грязи с поверхности белья;
  • смешивание красок художником;
  • замешивание теста;
  • приготовление наваристых бульонов, супов, и подлив, сладких компотов и морсов.

В 1638 г., вернувшись из Монголии, посол Василий Старков преподнес русскому царю Михаилу Федоровичу в подарок почти 66 кг сушеных листьев, обладающих странным терпковатым ароматом. Это засушенное растение очень понравилось ни разу не пробовавшим его москвичам, и они его с удовольствием до сих пор употребляют. Узнали его? Конечно же, это чай, который заваривается благодаря явлению диффузии.

Диффузия сквозь пластик

Диффузия в домашних условиях

  • Сульфат меди(II)
  • Иодид калия
  • Крахмал
  • Перед началом опыта наденьте защитные перчатки и очки.
  • Проводите эксперимент на подносе.
  • Соблюдайте технику безопасности при работе с кипятком.

Общие правила безопасности

  • Не допускайте попадания химических реагентов в глаза или рот.
  • Не допускайте к месту проведения экспериментов людей без защитных очков, а также маленьких детей и животных.
  • Храните экспериментальный набор в месте, недоступном для детей младше 10 лет.
  • Помойте или очистите всё оборудование и оснастку после использования.
  • Убедитесь, что все контейнеры с реагентами плотно закрыты и хранятся по правилам после использования.
  • Убедитесь, что все одноразовые контейнеры правильно утилизированы.
  • Используйте только оборудование и реактивы, поставляемые в наборе или рекомендуемые текущими инструкциями.
  • Если вы использовали контейнер для еды или посуду для проведения экспериментов, немедленно выбросьте их. Они больше не пригодны для хранения пищи.

Информация о первой помощи

  • В случае попадания реагентов в глаза тщательно промойте глаза водой, при необходимости держа глаз открытым. Немедленно обратитесь к врачу.
  • В случае проглатывания промойте рот водой, выпейте немного чистой воды. Не вызывайте рвоту. Немедленно обратитесь к врачу.
  • В случае вдыхания реагентов выведите пострадавшего на свежий воздух.
  • В случае контакта с кожей или ожогов промывайте поврежденную зону большим количеством воды в течение 10 минут или дольше.
  • В случае сомнений немедленно обратитесь к врачу. Возьмите с собой химический реагент и контейнер от него.
  • В случае травм всегда обращайтесь к врачу.

Рекомендации для родителей

  • Неправильное использование химических реагентов может вызвать травму и нанести вред здоровью. Проводите только указанные в инструкции эксперименты.
  • Данный набор опытов предназначен только для детей 10 лет и старше.
  • Способности детей существенно различаются даже внутри возрастной группы. Поэтому родители, проводящие эксперименты вместе с детьми, должны по своему усмотрению решить, какие опыты подходят для их детей и будут безопасны для них.
  • Родители должны обсудить правила безопасности с ребенком или детьми перед началом проведения экспериментов. Особое внимание следует уделить безопасному обращению с кислотами, щелочами и горючими жидкостями.
  • Перед началом экспериментов очистите место проведения опытов от предметов, которые могут вам помешать. Следует избегать хранения пищевых продуктов рядом с местом проведения опытов. Место проведения опытов должно хорошо вентилироваться и находиться близко к водопроводному крану или другому источнику воды. Для проведения экспериментов потребуется устойчивый стол.
  • Вещества в одноразовой упаковке должны быть использованы полностью или утилизированы после проведения одного эксперимента, т.е. после открытия упаковки.

Могу ли я провести опыт, используя крахмал не из набора?

Да! Вы можете провести этот опыт, используя картофель. Натрите картофель в стакан до отметки в 25 мл. Затем добавьте кипяток до отметки в 100 мл. Вот вы и получили крахмал!

Почему нужно использовать баночку с синей наклейкой? Что будет, если я возьму баночку с красной наклейкой?

В баночках с красной и синей наклейками одно и то же вещество — сульфат меди CuSO4. Так как сульфат меди в красной баночке используется в опыте «Химические рифы», очень важно не загрязнить вещество — для этого баночки и промаркированы разным цветом.

Ничего страшного, если вы использовали красную баночку: убедитеь, что в ней осталось достаточно вещества для проведения опыта. Если его не хватает, добавьте сульфат меди CuSO4 из второй баночки, чтобы реагента стало столько, сколько нужно.

Я чувствую какой-то запах. Всё в порядке?

Да, всё в порядке! Это слабый запах иода. Лучше всего проводить этот опыт в хорошо проветриваемом помещении.

По прошествии десяти минут цвет раствора едва изменился. Что делать?

Подождите еще чуть-чуть. Затем аккуратно покружите стакан с растворов. Если всё еще ничего не происходит, стоит повторить опыт с самого начала.

Приготовьте раствор крахмала. Крахмал почти нерастворим в холодной воде, но горячая вода с растворяет его относительно неплохо. Пусть крахмал и растворяется с трудом, он очень хорошо реагирует с иодом с образованием темно-синего комплекса. Поэтому крахмал нередко используется для обнаружения иода.

Теперь подготовьте полиэтиленовый пакетик. Полиэтилен водонепроницаем, то есть ваш пакетик не будет пропускать воду.

Смешайте в пакетике кристаллы сульфата меди(II) CuSO4 и раствор иодида калия KI. Ни тот, ни другой реагент не могут просочиться в раствор в стакане сквозь стенки пакетика.

В результате реакции между CuSO4 и KI выделяется иод I2 в пакетике.

Иод образуется внутри пакетика, но изменяется цвет раствора крахмала в стакане. Попробуйте догадаться, что же произошло!

Твердые отходы эксперимента утилизируйте вместе с бытовым мусором. Растворы слейте в раковину и затем тщательно промойте ее водой.

Молекулы иода  очень юркие: они могут протискиваться мимо молекул полиэтилена, образующих толщу непроницаемых, казалось бы, стенок пакетика  и попадать в раствор крахмала. Это медленный процесс, и лишь у малой доли молекул иода I2 получается сбежать. Крахмал помогает нам их обнаружить, образуя с иодом темно-синий комплекс.

Как иод «сбегает» из пакета в стакан?

Пластик, из которого состоит пакетик, производит впечатление чего-то монолитного, лишенного каких-либо отверстий. И всё же, как бы это ни было удивительно, некоторые вещества могут проходить сквозь этот пластик! На самом деле в нем есть множество микропор, сквозь которые и могут протискиваться особо мелкие молекулы, например молекулы иода I2. Такой процесс называется диффузией.

Диффузия — это процесс перемещения молекул из областей с более высокой их концентрацией в область с более низкой. Происходит это вследствие постоянного движения молекул и наличия пространства между ними. Диффузия вещества прекращается только тогда, когда его концентрация выравнивается в обеих областях.

[attention type=green]

Именно это и происходит в нашем опыте! Молекулы иода медленно диффундируют сквозь стенки пакета туда, где их нет совсем. Диффузия в жидкостях может занимать по времени от нескольких минут до нескольких часов.

[/attention]

В твердых же веществах диффузия растягивается на несколько лет! Но любой из этих процессов можно ускорить нагреванием или другими внешними воздействиями.

Почему раствор в стакане синеет?

В стакане у вас раствор крахмала. Крахмал — это безвкусный белый порошок, по консистенции напоминающий муку́. Это полисахарид с формулой (C6H10O5)n, состоящий из амилозы и амилопектина.

В нашем опыте крахмал исполняет роль индикатора иода. Индикатор — это такое вещество, которое отчетливо изменяет какие-либо свои внешние признаки (например, цвет) в присутствии определенных веществ.

Иод реагирует с крахмалом, образуя темно-синее комплексное соединение.

Уравнение реакции между иодом и крахмалом:

I2 + (C6H10O5)n → I2•(C6H10O5)n

В твердом виде иод существует в виде темно-фиолетовых кристаллов. Правда, если оставить его на открытом воздухе, он быстро превратится в фиолетовый газ. Подобные переходы из твердого состояния в газовое, минуя жидкое, называются возгонкой.

При этом, однако, вам хорошо знаком медицинский иод — тот, которым вам обрабатывают синяки на коленке. И он представляет собой жидкость коричневато-оранжевого цвета! Как же так? На самом деле это растворенный иод. Иод I2 хорошо растворяется в этаноле, и именно спиртовой раствор иода кладут в аптечки в качестве дезинфектантов.

Более того, иод присутствует в некоторых гормонах щитовидной железы, отвечающих за рост тела человека и метаболизм. Если слишком много или недостаточно иода поступает в организм с пищей, то могут нарушиться некоторые физиологические процессы.

Источник: https://melscience.com/RU-ru/experiments/diffusion-v2_potato/

Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе

Диффузия в домашних условиях

  • Что такое диффузия?
  • Причины диффузии
  • Формула диффузии
  • Диффузия в твердых телах
  • Диффузия в жидкостях
  • Диффузия в газах
  • Примеры диффузии в окружающем мире
  • Диффузия, видео
  • Что такое диффузия?

    Само слово «диффузия» латинского происхождения – «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, рассеивание». В физике под диффузией подразумевается процесс взаимопроникновения микрочастиц при соприкосновении разных материалов.

    Академическое определение того, что такое диффузия, звучит следующим образом: «Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества вследствие их хаотичного движения и столкновения друг с другом».

    Какие свойства диффузии, причины ее возникновения, как проявляется этот процесс в разных веществах, об этом читайте далее.

    Причины диффузии

    Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).

    Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO4) и растворить в воде (H2O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO4-. Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ – OH-.

    Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.

    Вот так этот процесс выглядит схематически.

    [attention type=yellow]

    Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.

    [/attention]

    Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.

    Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества.

    Формула диффузии

    Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения:

    В этом уравнении J – плотность материала, D – коэффициент диффузии, а ac/dx – градиент концентрации двух веществ.

    Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.

    Диффузия в твердых телах

    В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.

    Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.

    Диффузия, видео

    И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

    При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

    Эта статья доступна на английском языке – Diffusion.

    Источник: https://www.poznavayka.org/fizika/diffuziya/

    Диффузионная сварка: суть метода, где применяется и что это такое, инструменты и материалы

    Диффузия в домашних условиях

    Химический процесс при котором молекулы двух веществ взаимопроникают при соприкосновении, называют диффузии. Этот процесс протекает одинаково у всех веществ.

    Диффузия в обычном виде сложно применить, поскольку она занимает много времени и не эффективна. Как же мы можем применить это при сваривании металлов?

    Ответ достаточно прост. Н. Ф. Козаков впервые применил диффузию для сварки металлов еще в середине двадцатого века. При этом советский ученый добавил вакуум, давление и нагрев.

    Таким образом появился новый вид сварочных работ.

    Процесс и технология

    Выше на схеме указаны все ключевые данные. Рассмотрим этот процесс более детально. Протекает весь процесс в вакууме, что делает соединение более качественным. Еще дает возможность не использовать привычные методы сваривания.

    В начале все детали помещают в специально предназначенную камеру. В этой камере происходит высокая степень разряжения молекул, создается вакуум. Это способствует получению более высоких результатов при сварочных работах.

    После этого все детали нагреваю до нужной температуры. Степень нагрева зависит от свойств металла. Некоторые детали могут повредиться при нагреве, в таком случае процесс проходит без нагревания.

    Без нагревания время диффузионного метода значительно увеличивается. При нагреве процесс диффузии проходи более ускоренно и сварочный шов формируется качественнее.

    Есть три способа нагрева деталей: электроконтактный, радиационный, индукционный.

    Далее применяют давление. Оно может быть кратковременным или длительным либо локальным.Это позволяет добиться определённого результата — ускоренной диффузии.

    Для получения высокого качества соединения во время сварки, возможно использование фольги. Металлической фольгой, толщина которой пара микрон, нужно обмотать место соединения.

    Также для лучшего качества используют химические вещества. Их наносят непосредственно на место стыка заготовок.

    [attention type=red]

    Все детали после сварочных работ проходят обязательную проверку на качество. Для этого используют ультразвуковой контроль, либо радиографический метод. При диффузионном методе капиллярный контроль не эффективен.

    [/attention]

    Это главные стадии этого способа сварки. В зависимости от требований деталей сварщик может изменить эти этапы по своему усмотрению. Для каждого вида металла применяется разная температура и давление.

    У черных металлов условия и технологии соединения отличаются от параметров цветных металлов.

    Необходимая техника

    Для диффузионной сварки используют особый стенд с вакуумной камерой. Туда помещают нужные заготовки. Из-за такой камеры диффузионную сварку еще называют «вакуумная сварка».

    В камере при помощи нагрева и давления делами сжимаются и соединяются. Их оставляют в таком состоянии от пары минут до пары часов. Время процедуры зависит от вида и свойства металических деталей, а также уровня давления и температуры.

    В итого получается цельное соединение. Такому сварочному соединению характерны долгосрочность и качество.

    Плюсы и минусы

    Также диффузионный метод имеет свои недостатки и достоинства. Далее рассмотрим их более детально.

    Мы на личном опыте испытали все плюсы и минусы при работе с этой технологией.

    Плюсы

    Важный плюс в том, что проволока, газ, электроды и остальной расходный материал не нужен. Это делает диффузионную сварку финансово выгодной.

    Еще такой метод более экологичен, поскольку отсутствуют выбросы вредных веществ в атмосферу.

    Еще одно преимущество заключается в низком потреблении энергии, что выгодно с экономической стороны. При диффузионном способе расходуются намного меньшее количество энергии, чем при остальных.

    При помощи диффузионной сварочной установки можно одновременно обработать несколько видов металлов. Не нужно переживать о разнице в свойствах металлов.

    Возможность использовать детали разных размеров – еще одно несомненное достоинство. Толщина длинна или ширина металла не имеет значения. Можно сварить как мелкие, так очень большей детали.

    Нужно только иметь установку нужного размера. Такой способ подходит для разных типов соединения. Например тавровое, внахлест или стыковое.

    Нужно помнить о том, что качество шва при данном виде сварки всегда очень высокое. Электрическая и газовая сварка уступает по качеству.

    [attention type=green]

    Швы имеют достаточно эстетичный вид после диффузионной сварки. Благодаря этому стыки не нуждаются в обработке.

    [/attention]

    Следующее преимущество это полная безопасность во время сварочных работ. Полная защита от огня, брызг раскаленного металла или тока. Все опасные действия проходят в закрытой установке.

    Вы также ограждены от химических испарений выделяемых в процессе сварочных работ. Что сохраняет ваше здоровье.

    Минусы

    Диффузионный метод сварки имеет и свои недостатки. Однако хотелось бы отметить их несущественное значение.

    Самый основной минус -дорогое оборудование. Для работы с ним сначала необходимо пройти обучение. Для обслуживания такой техники нужны специалисты. Вдобавок приобретенная вами установка может не подходить для определенных размеров детали.

    Конечно можно приобрести установку очень больших размеров и использовать для разных по величине деталей. Но стоит учесть, что при создании необходимого вакуума размер установки имеет значение.

    Еще один недостаток – это необходимо предварительно подготовить металл. Необходимо не только убрать грязь, но и тщательно зачистить поверхность. Это требуется для быстрой диффузии. Качество соединения прямую зависит от подготовки металла.

    Вывод

    Выше мы предоставили всю основную информацию о диффузионной сварке. Да эта технология не из простых, но она открывает доступ к многим возможностям.

    Благодаря ей, вам доступна сварка различных металлов, как например, титан. Также не нужно обрабатывать сварочный шов и использовать расходники.

    К тому же, качество соединения получается очень высоким.

    Источник: https://prosvarku.info/tehnika-svarki/diffuzionnaya-svarka

    Будь здоров
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: