20-8 Difúzia

20-8 Difúzia

Jav nazývaný difúzia sa vyskytuje vo všetkých plynoch a kvapalinách. Ak hodíme kocku cukru do šálky čaju, a nezamiešame, po dostatočne dlhom čase – reálne po niekoľkých hodinách – bude čaj rovnomerne sladký. Pokiaľ sme ochotní vyčkať, výsledný stav bude rovnaký, ako keby sme boli čaj miešali niekoľko minút. Ako je možné, že molekuly cukru – bez toho, že by sme boli čaj zamiešali – sa rozptýlili do celej kvapaliny? Počas tlačenice molekúl vody – čo je dôsledkom tepelného pohybu – sa vydali na cestu aj molekuly cukru. Nepohybovali sa síce po priamke, ale „blúdili“.

Ak sa vrátime k obrázku 20.3, môžeme vidieť, že „blúdili“ aj brownovské častice. Tak ako sa potvrdilo, že čiastočky dymu sa zrážali s  molekulami vzduchu, tak sa potvrdzuje, že aj molekuly cukru sú bombardované molekulami vody. Pokiaľ niekto urobí N krokov v jednom smere a každý krok má dĺžku L, potom sa zrejme dostal do vzdialenosti NL. Pokiaľ však po každom kroku mení svoj smer náhodne, potom sa nedostane ďaleko od pôvodného miesta. Výpočtami je však možné ukázať, že priemerná vzdialenosť – priemer z mnohých podobných pokusov¹⁰ – od východiskového bodu bude v priemere LN. Z pohľadu času je počet krokov úmerný počtu krokov, vzdialenosť do ktorého sa dostaneme je však úmerný odmocnine času. Túto situáciu ilustruje obrázok 20.12, ktorá zobrazuje difúziu cukru v nezamiešanom čaji. Okrem toho, že čaj sa stáva sladkým, hrá difúzia dôležitú úlohu aj v mnohých fyzikálnych procesoch. Princíp činnosti jadrových reaktorov súvisí s difúziou neutrónov v moderátore reaktoru. Aj kvantá energie, ktoré vznikajú v strede Slnka pri jadrovej fúzii difundujú zo stredu Slnka cez telo Slnka na jeho povrch, odkiaľ už letia voľne do okolitého vesmíru (táto cesta zo stredu Slnka na jeho povrch trvá milióny rokov). Ďalšou veľmi závažnou rolou, ktorú hrá difúzia, je samo organizovanie hmoty. V  homogénnej hmote môžu prebehnúť chemické reakcie, ktoré sa cyklicky opakujú, difúzia pritom môže spôsobiť, že dôjde k samo organizácii hmoty. Čo to je tá samo organizácia? Pokiaľ typický čas pre cyklické reakcie závisí od koncentrácii chemikálii v homogénnom prostredí, vďaka difúzii občas vzniknú oblasti s nižšou koncentráciou a miesta s vyššou koncentráciou – to, čo je v tom zázračné je, že vznikajúca nehomogenita nemá tendenciu sa rozptýliť, zaniknúť. Ak reakcie majú prísun energie (napríklad v podobe tepla), miesta s rôznou koncentráciou začnú vytvárať geometrické obrazce. Bez difúzie by k tomuto javu vôbec nedošlo. Predpokladá sa, že takéto chemické reakcie mohli stáť aj pri zrode života.

Obr. 20.13: a Difúzia cukru v nezamiešanom čaji. Rozptýlenie cukru po 10, 20, 30-tich minútach rastie v pomere 1 : 2 : 3 = 1 : 1,41 : 1,73.