Co to jest dyfuzja?

Ogólnie rzecz biorąc, dyfuzja oznacza po prostu rozprzestrzenianie się substancji lub jakości z obszaru o stosunkowo wysokim stężeniu do obszaru o niższym stężeniu. Termin ten jest najczęściej używany do opisania procesu, w którym cząsteczki różnych typów osiągają jednolite stężenie, po początkowym nierównomiernym rozmieszczeniu, poprzez ich losowe ruchy. Nazywa się to czasem dyfuzją molekularną i odgrywa kluczową rolę w wielu obszarach fizyki, chemii i biologii. Jest to ściśle związane ze sposobem, w jaki komórki pobierają składniki odżywcze, dlatego życie bez niego nie mogłoby istnieć. Termin ten może również odnosić się do rozprzestrzeniania się ciepła lub światła lub, w kontekście nauk społecznych, rozpowszechniania pomysłów lub innowacji w społeczeństwie.

Dyfuzja molekularna

Cząsteczki są w ciągłym ruchu z powodu obecności ciepła; nawet w ekstremalnie niskich temperaturach występuje pewna energia cieplna, która powoduje ruch termiczny cząstek. W ciałach stałych cząstki są utrzymywane we względnie sztywnej strukturze i nie mogą zbytnio oddalać się od swoich pozycji wyjściowych, ale w cieczach i gazach mogą się swobodnie poruszać w mniej ograniczony sposób. Ten ruch jest losowy, ponieważ cząsteczki ciągle odbijają się od siebie, więc nie ma ogólnego wzorca. Ten losowy ruch umożliwia dyfuzję. Szybkość występowania zjawiska rośnie wraz z temperaturą wraz ze wzrostem prędkości, z jaką poruszają się cząstki.

Jeśli dwa różne gazy w tej samej temperaturze zetkną się ze sobą, z czasem losowy ruch ich cząsteczek spowoduje ich mieszanie, aż zostaną one równomiernie rozłożone, bez wpływu jakiegokolwiek czynnika zewnętrznego. Podobne zjawisko często można zaobserwować w przypadku dwóch różnych cieczy, ale czasami, ze względu na czynniki chemiczne, ciecze się nie mieszają. Na przykład dodanie oleju roślinnego do wody nie spowoduje dyfuzji. Kiedy ciało stałe rozpuszcza się w cieczy, jego cząsteczki będą dyfundować w cieczy.

W płynach, które się mieszają, dyfuzja może być obserwowana, jeśli ciecze mają różne kolory. Zjawiska tego nie należy jednak mylić z konwekcją lub doradztwem, które obejmują masowy ruch płynów przez prądy wymagające źródła energii. Dyfuzja to jedna z form tego, co naukowcy nazywają transportem pasywnym, co oznacza ruch, który zachodzi bez potrzeby dodatkowej energii. W często cytowanym przykładzie dodawania kropli barwionego barwnika do szklanki wody, większość zachodzącego mieszania jest w rzeczywistości spowodowana prądami ustawionymi przez początkowy ruch kropli barwnika pod wpływem grawitacji. W eksperymentach, które eliminują ten i podobne efekty, można zaobserwować prawdziwą dyfuzję; na przykład barwna woda dyfunduje przez żel, ale jest to proces znacznie wolniejszy.

Znaczenie dla życia

Dyfuzja odgrywa również rolę w procesach związanych z życiem komórki, szczególnie w transporcie składników odżywczych, aminokwasów i innych niezbędnych substancji z jednego miejsca do drugiego. Osmoza, proces, w którym cząsteczki są transportowane przez ściany i błony poszczególnych komórek roślinnych i zwierzęcych, jest formą dyfuzji. Ściana komórkowa to membrana selektywnie przepuszczalna lub taka, przez którą mogą przechodzić pewne cząsteczki, ale inne nie. Jeżeli po jednej stronie membrany znajduje się roztwór o wysokim stężeniu, podczas gdy po drugiej stronie znajduje się ten sam roztwór o niższym stężeniu, rozpuszczalnik będzie dążył do przejścia w obszar o wyższym stężeniu, aż oba roztwory osiągną równowagę . Może się to zdarzyć tylko wtedy, gdy cząsteczki substancji rozpuszczonej - substancji rozpuszczonej - są większe niż cząsteczki rozpuszczalnika. Mniejsze cząsteczki rozpuszczalnika mogą przechodzić przez membranę, podczas gdy większe są zbyt duże, aby to zrobić, i muszą pozostać po drugiej stronie.

Inne formy rozproszenia

Dyfuzja może również oznaczać rozprzestrzenianie się ciepła przez ciało stałe, chociaż jest to zwykle określane jako przewodzenie i rozprzestrzenianie się światła przez półprzezroczystą substancję - na przykład matowe szkło w żarówce, używane do zapewnienia „rozproszonego” światła, które jest bardziej przyjemny dla oka. Poza kontekstem fizyki termin ten może być użyty do opisania rozprzestrzeniania się idei lub innowacyjnej technologii poprzez populację poprzez kontakt między ludźmi, zgodność w grupie lub obserwację korzyści przynoszonych innym.