Что такое диффузия?
Диффузия возникает из-за непрерывного хаотичного движения частиц. Когда убирают стенку, которая делит сосуд пополам, синего газа много слева и нет справа. Поэтому синие частицы распространяются вправо. Красный газ, наоборот, распространяется влево. Оба газа распространяются одновременно в противоположных направлениях и в конце равномерно смешиваются по всему сосуду.
В этом симуляторе обрати внимание на три вещи:
- Каждый газ распространяется сам по себе. Даже если синего и красного газа разное количество, каждый из них делится между двумя сторонами поровну.
- После выравнивания частицы не останавливаются. Частицы продолжают переходить с одной стороны на другую. Поэтому числа с двух сторон то растут, то уменьшаются, но остаются примерно равными.
- Температура ускоряет процесс. При повышении температуры частицы движутся быстрее. Скорость пропорциональна квадратному корню из температуры: если поднять температуру со 150 К до 600 К, температура вырастет в 4 раза, а скорость — в 2 раза.
Убери стенку и смешай два газа
Задай число частиц и температуру, убери стенку и посмотри на числа с двух сторон. Этот симулятор входит в полный доступ. Скачивание бесплатно, без регистрации открыты 2 раздела и 5 симуляторов.
Как пользоваться симулятором?
- Ползунками Число синих и Число красных задай число частиц от 0 до 30.
- Ползунком Температура выбери температуру от 100 до 600 К.
- Нажми кнопку 🚪 Убрать стенку. Зелёная стенка исчезнет, и частицы начнут свободно двигаться в обе стороны.
- На подписях Слева и Справа вверху прочитай, сколько синих и красных частиц на каждой стороне.
- Кнопка ↺ Разделить снова возвращает стенку и ставит частицы на исходные стороны. После этого можно начать новый опыт.
Задания для симулятора
- Убери стенку при начальных настройках. Ответ: через несколько секунд на каждой стороне будет в среднем по 7–8 синих и 7–8 красных частиц. Числа продолжают меняться, но на двух сторонах остаются близкими.
- Поставь Число синих на 30, Число красных на 10 и убери стенку. Ответ: на каждой стороне будет около 15 синих и около 5 красных частиц.
- Убери стенку сначала при 100 К, потом при 600 К и секундомером измерь, за сколько секунд стороны выравниваются. Ответ: при 600 К частицы движутся примерно в 2.4 раза быстрее, и время смешивания сокращается во столько же раз.
Чем симулятор отличается от настоящего газа?
- Столкновения. В симуляторе частицы отскакивают только от стенок, и скорость у всех одинаковая. В настоящем газе частицы постоянно сталкиваются друг с другом и меняют направление, поэтому диффузия идёт намного медленнее.
- Повторное разделение. Эта кнопка заново расставляет частицы. На самом деле смешавшиеся газы сами не разделяются: даже если вернуть стенку, на обеих сторонах останется смесь.
- Пример с комнатой. Убрать стенку — это как открыть дверь между двумя комнатами. Так запах духов попадает в другую комнату. Но в настоящей комнате запах переносят ещё и потоки воздуха.
Диффузию в жидкости посмотри в симуляторе Диффузия — капля растекается, а разницу между горячей и холодной водой — в симуляторе Скорость диффузии.
