Diffusion: Wie vermischen sich zwei Gase und verteilen sich gleichmäßig?

Was ist Diffusion?

Diffusion entsteht durch die ständige, zufällige Bewegung der Teilchen. Wenn du die Wand entfernst, die den Behälter teilt, gibt es links viel blaues Gas und rechts keines. Deshalb breiten sich die blauen Teilchen nach rechts aus. Das rote Gas macht das Gegenteil und breitet sich nach links aus. Die beiden Gase breiten sich gleichzeitig in entgegengesetzte Richtungen aus und sind am Ende im ganzen Behälter gleichmäßig vermischt.

Achte in diesem Simulator auf drei Dinge:

• Jedes Gas breitet sich für sich aus. Auch wenn die Mengen von blauem und rotem Gas verschieden sind, verteilt sich jedes Gas gleichmäßig auf die beiden Seiten.
• Die Teilchen bleiben nicht stehen, wenn die Mischung gleichmäßig ist. Sie wechseln weiter von einer Seite zur anderen. Die Anzahl auf jeder Seite steigt und sinkt deshalb, bleibt aber ungefähr gleich.
• Die Temperatur beschleunigt den Vorgang. Wenn die Temperatur steigt, bewegen sich die Teilchen schneller. Ihre Geschwindigkeit ist proportional zur Quadratwurzel der Temperatur: Von 150 K auf 600 K wird die Temperatur 4-mal so hoch und die Geschwindigkeit 2-mal so hoch.

Wie benutzt du den Simulator?

1. Stelle mit den Schiebereglern Anzahl Blau und Anzahl Rot die Teilchenzahl zwischen 0 und 30 ein.
2. Wähle mit dem Schieberegler Temperatur eine Temperatur zwischen 100 und 600 K.
3. Tippe auf den Button 🚪 Wand entfernen. Die grüne Wand verschwindet, und die Teilchen bewegen sich frei auf beide Seiten.
4. Lies die Anzahl der blauen und roten Teilchen auf jeder Seite an den Anzeigen Links und Rechts oben ab.
5. Der Button ↺ Neu teilen setzt die Wand wieder ein und bringt die Teilchen auf ihre ursprünglichen Seiten zurück. Dann kannst du einen neuen Versuch starten.

Aufgaben für den Simulator

• Entferne die Wand mit den Starteinstellungen. Antwort: Nach einigen Sekunden sind auf jeder Seite im Mittel 7–8 blaue und 7–8 rote Teilchen. Die Anzahlen ändern sich weiter, die beiden Seiten bleiben aber ungefähr gleich.
• Stelle Anzahl Blau auf 30 und Anzahl Rot auf 10 und entferne die Wand. Antwort: Auf jeder Seite sind am Ende etwa 15 blaue und etwa 5 rote Teilchen.
• Entferne die Wand erst bei 100 K und dann bei 600 K. Miss mit einer Stoppuhr, wie viele Sekunden es dauert, bis beide Seiten ausgeglichen sind. Antwort: Bei 600 K bewegen sich die Teilchen etwa 2.4-mal so schnell, und die Mischzeit wird um denselben Faktor kürzer.

Was unterscheidet den Simulator von einem echten Gas?

• Zusammenstöße. Im Simulator prallen die Teilchen nur von den Wänden ab, und alle haben dieselbe Geschwindigkeit. In einem echten Gas stoßen die Teilchen ständig zusammen und ändern ihre Richtung. Die Diffusion läuft deshalb viel langsamer ab.
• Neu teilen. Dieser Button stellt die Teilchen wieder neu auf. In Wirklichkeit trennen sich vermischte Gase nicht von selbst: Auch wenn du die Wand wieder einsetzt, bleiben beide Seiten gemischt.
• Das Beispiel mit dem Zimmer. Die Wand zu entfernen ist wie die Tür zwischen zwei Zimmern zu öffnen. So breitet sich Parfüm ins Nachbarzimmer aus. In einem echten Zimmer tragen aber auch Luftströmungen den Duft weiter.

Diffusion in einer Flüssigkeit zeigt dir der Simulator Diffusion – ein Tropfen breitet sich aus. Den Unterschied zwischen heißem und kaltem Wasser zeigt der Simulator Diffusionsgeschwindigkeit.

Quellen

• BBC Bitesize: What is the process of diffusion?
• PhET: Diffusion