Agitația termică și difuzia

Pui o picătură de colorant într-un pahar cu apă și nu amesteci. După câteva minute culoarea s-a întins puțin în jur, iar uniformă devine abia după multe zile, dacă nimic nu agită apa. Explicația ține de felul în care sunt alcătuite substanțele: orice substanță este formată din particule (atomi sau molecule) foarte mici, între care există spații goale. Particulele se mișcă neîncetat, dezordonat, în toate direcțiile, și se ciocnesc între ele. Această mișcare se numește agitație termică. Ea nu se oprește nici în gheață, unde particulele vibrează în jurul unor poziții fixe. Cu cât temperatura este mai mare, cu atât agitația termică este mai intensă: particulele au în medie o energie cinetică mai mare.

Difuzia este pătrunderea spontană a particulelor unei substanțe printre particulele alteia, până când amestecul devine uniform. Ea are loc în gaze (vaporii unui parfum care se amestecă cu aerul), în lichide (zahărul din ceai, colorantul din pahar) și în solide, unde este extrem de lentă la temperatura camerei. Într-o cameră, mirosul ajunge repede la tine mai ales pentru că aerul însuși este pus în mișcare de curenți și de oamenii care se mișcă; difuzia singură străbate prin aer liniștit doar câțiva centimetri în câteva minute. Difuzia este cea mai rapidă în gaze, mai lentă în lichide și cea mai lentă în solide: într-un gaz particulele sunt departe unele de altele și se mișcă aproape liber, iar într-un solid sunt strâns legate. Difuzia merge mai repede la temperatură mai mare, de aceea zahărul se dizolvă mai repede în ceai fierbinte decât în apă rece. Și corpul tău folosește difuzia: oxigenul din aerul din plămâni trece în sânge prin peretele foarte subțire al alveolelor.

Mișcarea browniană este mișcarea dezordonată, în zigzag, a unor granule vizibile la microscop, de pildă granule de polen în apă sau particule de fum în aer. Botanistul Robert Brown a observat-o în 1827. Granulele nu se mișcă „singure”: sunt lovite din toate părțile de moleculele invizibile ale lichidului sau ale gazului, iar loviturile nu se echilibrează în fiecare clipă. Mișcarea browniană este astfel o dovadă vizibilă că moleculele există și se mișcă permanent.

Exemplu rezolvat. Într-un experiment de laborator, un cristal de permanganat de potasiu este lăsat pe fundul unui vas cu apă nemișcată. Frontul colorat în violet urcă $4\mathrm{mm}$ în $2$ ore. Care este viteza medie de avansare a colorantului și de câte ori este ea mai mică decât viteza de mers a unui om, de $1,4m/s$? Transformăm unitățile: $4\mathrm{mm}=0,004\mathrm{m}$ și $2\mathrm{h}=7200\mathrm{s}$. Viteza medie este $v=d/t=0,004\mathrm{m}:7200\mathrm{s}\approx 5,6\cdot 10^{-7}m/s$. Raportul vitezelor este $1,4:(5,6\cdot 10^{-7})\approx 2,5\cdot 10^6$, deci colorantul avansează de circa două milioane și jumătate de ori mai încet decât un om care merge. Moleculele apei se mișcă permanent și repede, dar fiecare este deviată de ciocniri după un drum foarte scurt și își schimbă mereu direcția, așa că înaintarea pe o direcție anume este lentă. De aceea zahărul din ceai se dizolvă mult mai repede dacă îl amestecăm cu lingurița.

Greșeli frecvente

• Greșit: într-un lichid care pare nemișcat, particulele stau pe loc.
  Corect: particulele se mișcă permanent și dezordonat (agitație termică), chiar dacă lichidul pare în repaus.
• Greșit: agitația termică se oprește la $0{}^{\circ }\mathrm{C}$.
  Corect: la $0{}^{\circ }\mathrm{C}$ particulele apei și ale gheții se mișcă; temperatura mai mică înseamnă agitație mai slabă, nu absența ei.
• Greșit: orice amestecare este difuzie.
  Corect: difuzia este răspândirea spontană prin mișcarea particulelor; amestecarea cu lingurița sau prin curenți de apă nu este difuzie.
• Greșit: mirosul unui parfum ajunge în toată camera numai prin difuzie.
  Corect: difuzia în aer este lentă; răspândirea rapidă a mirosului se datorează în mare parte curenților de aer care amestecă aerul din cameră.
• Greșit: difuzia are loc numai în gaze și în lichide.
  Corect: are loc și în solide, dar extrem de lent la temperatura camerei.
• Greșit: mișcarea browniană este mișcarea moleculelor.
  Corect: este mișcarea granulelor vizibile la microscop, provocată de ciocnirile cu moleculele invizibile ale fluidului.

Înainte și după