Диффузия и ее виды

Диффузией называется процесс переноса вещества из одной части системы в другую в результате беспорядочного движения частиц. Различают следующие виды диффузии:

самодиффузия – диффузия частиц одного вещества, протекающая при отсутствии градиента каких-либо движущих сил;

концентрационная диффузия – перемещение вещества под воздействием градиента концентрации. Эта диффузия называется нисходящей, поскольку вещество перемещается из участков, в которых его концентрация больше, в участки, где его концентрация меньше;

термодиффузия – перенос вещества под воздействием градиента температур. Термодиффузия обусловлена возникновением градиента химического потенциала диффундирующего вещества в температурном поле. Вещество перемещается из частей системы, в которых его химический потенциал больше,
в части, в которых его химический потенциал меньше. При этом концентрация вещества изменяется в обратном направлении и диффузия называется восходящей;

реактивная диффузия – перемещение вещества в участки системы, где оно образует с другим компонентом раствора химическое соединение, т.е. диффундирующее вещество выводится из исходной фазы в обособленную (например, диффузия углерода в участки образования карбидов, диффузия легирующих элементов – в участки, где образовались интерметаллиды). К реактивной диффузии относится также перераспределение углерода между аустенитным швом и ферритно-перлитным основным металлом: углерод диффундирует в аустенит, в котором его растворимость выше.

Концентрационная диффузия является наиболее простым случаем и наиболее изучена.

Процессы концентрационной диффузии описываются уравнением законов Фика:

, (11)

где – количество продиффундировавшего вещества; dS – площадь сечения диффузионного потока, dτ – время – градиент концентрации, отрицательный потому, что диффузия идет от большей концентрации к меньшей; D – коэффициент диффузии, .

Закон Фика справедлив для малых концентраций диффундирующего вещества, далеких от концентрации насыщения.

Процесс диффузии аналогичен распределению тепла посредством теплопроводности. Количество вещества соответствует количеству тепла, а концентрация – температуре. Поэтому второй закон диффузии может быть выведен аналогично уравнению теплопроводности:

. (12)

Уравнение (12) выражает второй закон Фика в самом общем виде в предположении, что коэффициент диффузии зависит от концентрации элемента и различен в различных направлениях. Если считать коэффициент диффузии не зависящим от концентрации, а тело – изотропным, т.е. полагать, что , то выражение (12) упростится:

(13)

или

, (14)

где .

В простейшем случае линейной диффузии по оси х, когда концентрация по оси y и z постоянна, и . Для этого случая получим

. (15)

Интегрирование уравнения (15) дает зависимость концентрации диффундирующего вещества от координаты х и времени τ:

, (16)

где – функция Крампа от аргумента ; её можно найти по таблице для заданных значений х; D; τ.

Расчет развития диффузионных процессов на основании второго закона Фика сохраняется для жидких и твердых сред, но коэффициенты диффузии будут значительно меньше, чем для газообразных систем.

Для газообразных систем коэффициенты диффузии вычисляются на основании кинетической теории газов:

, (17)

где λ – длина свободного пробега; – средняя скорость движения газовых молекул.

Коэффициенты диффузии в жидкостях могут быть рассчитаны по уравнению Стокса:

, (18)

где k – постоянная Больцмана; Т – температура; η – коэффициент вязкости среды; r – радиус частицы.

Коэффициент диффузии в жидкостях на несколько порядков меньше, чем в газах. Для твердых кристаллических тел коэффициенты диффузии еще меньше.

Коэффициент диффузии значительно меняется в зависимости от температуры процесса, концентрации диффундирующего вещества, свойств среды, наличия в сплаве третьего компонента.

Дата добавления: 2014-01-04