Vad är diffusion?

I allmänna termer betyder diffusion helt enkelt spridning av ett ämne eller kvalitet från ett område med relativt hög koncentration till ett område med lägre koncentration. Termen används oftast för att beskriva processen genom vilken molekyler av olika typer uppnår en enhetlig koncentration, efter att de initialt har varit ojämnt fördelade, genom sina slumpmässiga rörelser. Detta kallas ibland molekylär diffusion och det spelar en nyckelroll inom många områden inom fysik, kemi och biologi. Det är nära besläktat med hur celler tar upp näringsämnen, så livet kunde inte existera utan det. Termen kan också hänvisa till spridning av värme eller ljus, eller, i samband med samhällsvetenskap, spridning av idéer eller innovationer genom samhället.

Molekylär diffusion

Molekyler är ständigt i rörelse på grund av närvaron av värme; även vid extremt låga temperaturer finns viss värmeenergi, vilket ger partiklar termisk rörelse. I fasta ämnen hålls partiklarna i en relativt stel struktur och kan inte tappa för långt från sina utgångslägen, men i vätskor och gaser är de fria att röra sig på ett mindre begränsat sätt. Denna rörelse är slumpmässig, eftersom molekylerna ständigt studsar från varandra, så att det inte finns något övergripande mönster. Denna slumpmässiga rörelse är det som möjliggör diffusion. Frekvensen med vilken fenomenet uppstår stiger med temperaturen när hastigheten med vilken partiklarna rör sig ökar.

Om två olika gaser vid samma temperatur bringas i kontakt med varandra kommer med tiden att deras slumpmässiga rörelse får dem att blandas tills de är jämnt fördelade, utan påverkan av någon yttre faktor. Ett liknande fenomen kan ofta observeras med två olika vätskor, men ibland, på grund av kemiska faktorer, kommer vätskorna inte att blandas. Till exempel kommer tillsats av vegetabilisk olja till vatten inte att leda till diffusion. När ett fast ämne upplöses i en vätska diffunderar dess molekyler genom hela vätskan.

I vätskor som blandas kan diffusion vara observerbar om vätskorna har olika färger. Detta fenomen bör emellertid inte förväxlas med konvektion eller advektion, som involverar den stora rörelsen av vätskor med strömmar som kräver en energikälla. Diffusion är en form av vad forskare kallar passiv transport, vilket betyder rörelse som sker utan att ytterligare energi krävs. I det ofta citerade exemplet på att en droppe färgat färg tillsätts till ett glas vatten, beror mycket av den blandning som inträffar faktiskt på strömmarna som inrättats av den ursprungliga rörelsen av droppet färgämne under tyngdkraften. I experiment som eliminerar denna och liknande effekter kan verklig diffusion observeras; Till exempel kan färgat vatten spridas genom en gel, men detta är en mycket långsammare process.

Betydelsen för livet

Diffusion spelar också en roll i de processer som är involverade i en cellliv, särskilt transport av näringsämnen, aminosyror och andra väsentliga ämnen från en plats till en annan. Osmos, processen med vilken molekyler transporteras över väggar och membran i enskilda växt- och djurceller, är en form av diffusion. En cellvägg är ett selektivt permeabelt membran, eller en genom vilken vissa molekyler kan passera, men andra kan inte. Om det finns en lösning med hög koncentration på ena sidan av ett membran, medan den andra sidan är samma lösning i en lägre koncentration, kommer lösningsmedlet att tendera att flytta till området med högre koncentration tills de två lösningarna når jämvikt . Detta kan endast inträffa om molekylerna i det lösta ämnet - det upplösta ämnet - är större än lösningsmedlets. De mindre lösningsmedelmolekylerna kan passera genom membranet, medan de större är för stora för att göra det och måste förbli på andra sidan.

Andra former av diffusion

Diffusion kan också betyda spridning av värme genom ett fast ämne, även om detta vanligtvis kallas ledning, och spridning av ljus genom ett genomskinligt ämne - till exempel frostat glas i en glödlampa som används för att ge ett "diffust" ljus som är mer trevlig på ögat. Utanför fysikens sammanhang kan termen användas för att beskriva spridningen av en idé eller en innovativ teknik genom en befolkning genom kontakt mellan människor, överensstämmelse inom en grupp eller genom observation av fördelarna med andra.