Интерес к вопросу был отчасти инициирован эпидемиологической обстановкой в мире и требованиями повсеместного применения марлевых масок. Изначально планировалось выяснить особенности диффузии веществ в свободном пространстве и пространстве, имеющем препятствия. Но задача оказалась сложнее ожидаемого, и нам удалось выполнить только первую часть из всего того, что мы запланировали.
Необходимо отметить, что во многих доступных источниках (популярной литературе, видео в Интернете и даже во многих учебниках) можно найти информацию о том, что диффузия ответственна за такие явления, как распространения запахов, окрашивание растворов и т. п. В качестве примеров приводят распространение запаха духов в кабинете, окрашивание воды при добавлении в неё марганцовки или йода, заваривание чая. Лишь в академических учебниках есть замечание, что в определённой степени эти явления объясняются конвекцией, а не диффузией.
Как убедительно показали наши эксперименты, именно конвекция в решающей степени ответственна за вышеперечисленные явления. Мы провели опыт и посмотрели на поведение чернил в горячей воде. В этой ситуации окрашивание раствора до равномерного состояния происходило за минуты. Эти конвекционные струи полностью отсутствовали при корректной постановке эксперимента в воде с температурой, равной температуре окружающей среды.
Для изучения явления диффузии нами была собрана установка, измеряющая прозрачность раствора. Раствор просвечивался направленным лучом фонаря, и сила прошедшего света измерялась фоторезистором, подключённым к плате Ардуино. Процессор Ардуино оцифровывает сигнал напряжения с фоторезистора и представляет его в относительных единицах от 0 до 1024.
Проведение опыта состояло в том, что в отстоянную воду шприцем через соломинку вводились чернила на дно. В связи с большей плотностью чернил, они растекались тонким слоем по дну. По мере распространения чернил в растворе, прозрачность раствора на более высоких уровнях падает, что фиксирует установка. Для калибровки установки мы перед экспериментом создавали растворы разных концентраций и измеряли их прозрачность. Погрешности нанесены на график, который можно видеть на этой странице, но они достаточно малы и связаны с некоторой нестабильностью работы установки. Далее, пользуясь калибровочным графиком, можно, зная прозрачность раствора, судить о концентрации чернил в нём.
В реальных опытах оказалось, что скорость диффузии чернил в воде очень мала и составила D = 0,0035 см 2 /сутки. Как можно увидеть на следующем графике, опыт проводился по несколько суток (2–3) до выравнивания концентрации раствора по всей высоте. Именно эта причина не позволила нам провести все запланированные измерения. Каждое измерение буквально «выключало» на трое суток из жизни часть квартиры (стол, половину комнаты) для защиты от вибраций и изменений температуры при проветривании.
Итак, на данный момент мы можем сделать следующие выводы:
- Cкорость истиной диффузии (без конвекции) очень мала даже в жидкостях при комнатных температурах;
- Изучение влияния температуры на скорость диффузии невозможно в домашних условиях. Нужна термокамера с возможностью поддержания температуры на определённом уровне;
- Коэффициент диффузии, полученный нами расчётным путём из закона Фика и экспериментальных данных, оказался приблизительно в 200 раз меньше, чем у спирта в воде. Это очень странный результат. Но нужно учесть, что получить достоверные данные по плотности, молярной массе и коэффициенту диффузии чернил оказалось невозможным. Такие данные не были найдены в специальной литературе.
