Холодная диффузия

Содержание
  1. Особенности процесса термодиффузии: достоинства, применение
  2. Особенности технологии и сфера применения
  3. Как происходит процесс обработки
  4. Достоинства и недостатки технологии
  5. Сравнительный анализ коррозионной стойкости
  6. Требования ГОСТ Р 9.316-2006 к термодиффузионным цинковым покрытиям
  7. Оборудование для термодиффузионного цинкования
  8. Диффузия в твердых телах, жидкостях и газах: определение, условия
  9. Что такое диффузия
  10. Диффузия в жидкости
  11. Взаимопроникновение газов
  12. Диффундирование газов в металлах
  13. Диффундирование жидкостей в металлах
  14. Условия ускорения диффузии. Коэффициент диффузии
  15. Уравнение диффузии
  16. Законы Фика | Основы диффузии
  17. Первый закон Фика
  18. Второй закон Фика
  19. Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе
  20. Что такое диффузия?
  21. Причины диффузии
  22. Формула диффузии
  23. Диффузия в твердых телах
  24. Диффузия в жидкостях
  25. Диффузия в газах
  26. Примеры диффузии в окружающем мире
  27. Диффузия, видео
  28. Что такое диффузия и её причины, где она протекает быстрее всего, примеры из окружающего мира
  29. Диффузия в физике: определение
  30. Причины возникновения
  31. Как протекает диффузия в жидкостях
  32. Диффузия в твёрдых телах: примеры
  33. Подробно про диффузию в газах жидкостях и твердых телах подробно рассказано в видео

Особенности процесса термодиффузии: достоинства, применение

Холодная диффузия

Термодиффузионная обработка металлических поверхностей цинком (шерардизация) – относительно новый метод обработки металлоконструкций.

Несмотря на это, технология термодиффузии получила широкое распространение в кругу профильных специалистов.

Это обусловлено стабильными защитными свойствами и эксплуатационными характеристиками обработанных изделий.

Особенности технологии и сфера применения

Данный способ обработки обеспечивает металлоконструкциям надежную антикоррозийную защиту, а также предупреждает преждевременный износ металла, как следствие – позволяет увеличить срок службы.

В основе методики лежит процесс диффузии молекул металла, проводимый при температуре от 400 до 470 °С. За счет этого в поверхностный слой конструкции диффузируют молекулы легирующего вещества – цинка.

Особенности процесса термодиффузии прописаны в профильном стандарте – ГОСТ Р 9.316-2006.

Применение данной технологии позволяет создать на поверхности металлоконструкций равномерный цинковый слой. Главной особенностью метода выступает то, что слой цинка является однородным даже на труднодоступных участках обрабатываемой детали (полости, отверстия и т.д.). 

Технологию термодиффузии обычно применяют для обработки следующих конструкций и деталей:

  • Оградительные конструкции для мостов и дорог;
  • Фурнитура, которая используется в мебельной промышленности;
  • Арматура, используемая в нефтегазовой промышленности;
  • Арматура, которую используют для укрепления железнодорожных полотен;
  • Элементы трубопроводов, используемых при создании инженерных коммуникаций и арматура, которую используют в сфере строительства;
  • Элементы конструкций линий электропередач;
  • Отдельные детали автотранспортных средств.

С помощью термодиффузионного цинкования на металлоконструкциях удается создавать слой цинка минимальной толщины. Поэтому данной обработке допускается подвергать изделия, имеющие незначительные габариты.

Стоит отметить, что обработка деталей при максимальном повышении температуры (до 470 °С) приводит к увеличению интенсивности процесса термодиффузии молекул цинка. Поэтому покрытие не приобретает необходимые эксплуатационные характеристики. Такое покрытие характеризуется низким уровнем антикоррозийной защиты, высокой хрупкостью и высоким уровнем отслаивания цинкового слоя.

Для создания цинкового покрытия необходимой толщины, которое будет обладать высокими защитными свойствами, важно провести ряд дополнительных мероприятий:

  • Перед обработкой поверхность металла следует тщательно очистить;
  • Нужно создать абсолютную герметичность контейнера, в котором проводится термодиффузионное цинкование;
  • В герметичном боксе следует создать инертную и восстановительную среду, поскольку в окислительной среде наносить цинковое покрытие нельзя.

В процессе нанесения цинкового покрытия целесообразно дополнительно добавлять в рабочую среду активаторы (специальные флюсующие элементы). 

Как происходит процесс обработки

Специалисты нашей компании для получения цинкового покрытия высокого качества используют современное оборудование немецко-австрийской фирмы K KOERNER и чешской компании EKOMOR. Процесс обработки проводится в несколько этапов:

  1. Очистка конструкции при помощи механического, химического или ультразвукового воздействия. На нашем предприятии для этих целей применяют пескоструйное, дробеметное и ультразвуковое оборудование.
  2. Помещение изделий в рабочий бокс (контейнер), в который впоследствии добавляют цинкосодержащий порошок.
  3. Герметизация рабочего контейнера, создание и поддержание внутри бокса требуемой температуры (на уровне 450 °C). В зависимости от величины обрабатываемой площади и заданной толщины цинкового слоя детали содержат в боксе от 1 до 4 часов. В течение этого времени молекулы цинка испаряются и проникают в кристаллическую решетку металлической поверхности изделия.
  4. Обработанные детали извлекают из бокса, с их поверхности удаляют остатки частиц порошка, а затем моют.
  5. Для придания деталям декоративных свойств их подвергают пассивации.

Достоинства и недостатки технологии

Термодиффузионный метод обработки металла, в отличие от других технологий, имеет ряд очевидных преимуществ:

  • Цинковое покрытие ложится равномерно, а поверхность приобретает хорошую адгезию и стабильные защитные качества.
  • Технология является экономически выгодной, поскольку для ее применения не нужны крупные производственные площади, а затраты на электричество и трудозатраты минимальные.
  • Поскольку диффузионная обработка проката проводится в герметичных боксах, эта технология характеризуется химической и токсической безопасностью, а также является экологически чистой. Более того, рабочий процесс исключает вероятность получения специалистами термических ожогов.
  • Очистка поверхности изделий после обработки слоем цинка осуществляется без применения кислот и прочих химически агрессивных составов.
  • Есть возможность регулировать толщину цинкового покрытия, причем – в широком диапазоне в зависимости от установленных требований.
  • Отходы, которые образуются при термодиффузионном цинковании, легко поддаются утилизации, которая проводится по стандартной схеме, исключая опасность для здоровья человека.
  • Диффузионное цинкование металлических поверхностей проводится на оборудовании, которое характеризуется простотой в управлении и обслуживании.
  • В отличие от других технологий, применяемых для обработки металлоконструкций цинком, термодиффузионное покрытие проводится при щадящей температуре.

Сравнительный анализ коррозионной стойкости

Несмотря на множество достоинств, данная технология также имеет некоторые недостатки, среди которых:

  • Поверхность после обработки имеет неэстетичный серый цвет. Для повышения привлекательности покрытия на предварительно созданный слой цинка необходимо нанести дополнительный декоративный слой. Однако возможность нанесения декоративного слоя не предусмотрена требованиями действующих ГОСТов. Поэтому если декоративные свойства для оцинкованных деталей не выступают первостепенными, серый цвет изделия не считается недостатком.
  • Технологию можно применять только в отношении изделий, размеры которых не ограничиваются объемом печи нагрева и не превышают габариты самого герметичного бокса.

Требования ГОСТ Р 9.316-2006 к термодиффузионным цинковым покрытиям

Согласно требованиям настоящего нормативного акта, термодиффузионные покрытия из цинка, в зависимости от толщины слоя, относятся к разным классам, а именно:

  • 1-й класс – от 6 до 9 мкм;
  • 2-й класс – от 10 до 15 мкм;
  • 3-й класс – от 16 до 20 мкм;
  • 4-й класс – от 21 до 30 мкм;
  • 5-й класс – от 40 до 50 мкм.

Однако толщина покрытия не ограничивается показателем в 50 мкм. Просто о большей толщине не упоминается в положениях ГОСТ. Поэтому по согласованию с изготовителем клиент может заказать обработку изделий цинковым покрытием требуемой толщины. Но в этом случае цинковое покрытие будет считаться нестандартным.

Представленный метод обработки металлоконструкций невозможно применять к деталям и изделиям, в которых присутствуют соединения, сделанные с помощью припоя или смол. Обработку таких изделий проводят, используя другие технологии.

Согласно требованиям настоящего ГОСТа, цинковое покрытие, нанесенное по этой технологии, не может иметь такие дефекты:

  • Наросты, вздутия и отслоения;
  • Раковины и различные пустоты;
  • Присутствие инородных частиц;
  • Участки без покрытия (даже при их минимальной площади);
  • Остатки насыщающих смесей, которые невозможно смыть;
  • Трещины и другие дефекты.

Оборудование для термодиффузионного цинкования

Нанесение цинкового покрытия методом термодиффузии осуществляется на специализированном оборудовании.

Стандартная линия для обработки металлоконструкций цинком включает следующие виды оборудования:

  • Отсыпные установки для реторт;
  • Сушильные шкафы и печи проходного типа;
  • Оборудование для фосфатной пассивации;
  • Вспомогательные устройства и оснастка;
  • Электронные контроллеры для измерения толщины цинкового слоя и раствора для пассивации;

Печное оборудование (боксы, контейнера или камеры с герметично закрывающейся крышкой), оснащенное стационарными или сменными ретортами, объем пространства для загрузки которых составляет до 600 кг.

Источник: https://t-zinc.ru/tremodifuziya/osobennosti-proczessa-termodiffuzii.html

Диффузия в твердых телах, жидкостях и газах: определение, условия

Холодная диффузия

Среди многочисленных явлений в физике процесс диффузии относится к одним из самых простых и понятных. Ведь каждое утро, готовя себе ароматный чай или кофе, человек имеет возможность наблюдать эту реакцию на практике. Давайте узнаем больше об этом процессе и условиях его протекания в разных агрегатных состояниях.

Что такое диффузия

Данным словом именуется проникновение молекул или атомов одного вещества между аналогичными структурными единицами другого. При этом концентрация проникающего соединений выравнивается.

Впервые этот процесс был подробно описан немецким ученым Адольфом Фиком в 1855 г.

Название данного термина было образовано от латинского отглагольного существительного diffusio (взаимодействие, рассеивание, распространение).

Диффузия в жидкости

Рассматриваемый процесс может происходить с веществами во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Чтобы отыскать практические примеры этого, стоит просто заглянуть на кухню.

Варящийся на плите борщ – это один из них. Под действием температуры молекулы глюкозинбетанина (вещества, благодаря которому свекла обладает таким насыщенным алым цветом) равномерно реагируют с молекулами воды, придавая ей неповторимый бордовый оттенок. Данный случай – это пример диффузии в жидкостях.

Помимо борща, данный процесс можно увидеть и в стакане чая или кофе. Оба эти напитка имеют столь равномерный насыщенный оттенок благодаря тому, что заварка или частички кофе, растворяясь в воде, равномерно распространяются между ее молекулами, окрашивая ее. На этом же принципе построено действие всех популярных растворимых напитков девяностых: Yupi, Invite, Zuko.

Взаимопроникновение газов

Продолжая дальше искать проявления рассматриваемого процесса на кухне, стоит принюхаться и насладиться приятным ароматом, исходящим от букета свежих цветов на обеденном столе. Почему так происходит?

Атомы и молекулы, переносящие запах, находятся в активном движении и вследствие него перемешиваются с частицами, уже содержащимися в воздухе, и довольно равномерно рассеиваются в объеме помещения.

Это проявление диффузии в газах. Стоит отметить, что само вдыхание воздуха тоже относится к рассматриваемому процессу, как и аппетитный запах свежеприготовленного борща на кухне.

Кухонный стол, на котором стоят цветы, застелен скатертью яркого желтого цвета. Подобный оттенок она получила благодаря способности диффузии проходить в твердых телах.

Сам процесс придания полотну какого-то равномерного оттенка проходит в несколько этапов следующим образом.

  1. Частички желтого пигмента диффундировали в красильной емкости по направлению к волокнистому материалу.
  2. Далее они были впитаны внешней поверхностью окрашиваемой ткани.
  3. Следующим шагом была снова диффузия красителя, но на этот раз уже внутрь волокон полотна.
  4. В финале ткань зафиксировала частички пигмента, таким образом окрасившись.

Диффундирование газов в металлах

Обычно, говоря об этом процессе, рассматривают взаимодействия веществ в одинаковых агрегатных состояниях. Например, диффузия в твердых телах, твердых веществах.

Для доказательства этого явления проводится опыт с двумя прижатыми друг к другу металлическими пластинами (золото и свинец). Взаимопроникновение их молекул происходит довольно долго (один миллиметр за пять лет).

Этот процесс используется для изготовления необычных украшений.

Однако диффундировать способны и соединения в разных агрегатных состояниях. К примеру, существует диффузия газов в твердых телах.

В процессе экспериментов было доказано, что подобный процесс протекает в атомарном состоянии. Для его активации, как правило, нужно значительно повышение температуры и давления.

Примером такой газовой диффузии в твердых телах является водородная коррозия. Она проявляется в ситуациях, когда возникшие в процессе какой-нибудь химической реакции атомы водорода (Н2) под действием высоких температур (от 200 до 650 градусов Цельсия) проникают между структурными частицами металла.

Помимо водорода, в твердых телах диффузия кислорода и других газов также способна происходить. Этот незаметный глазу процесс приносит немало вреда, ведь из-за него могут рушиться металлические сооружения.

Диффундирование жидкостей в металлах

Однако не только молекулы газов могут проникать в твердые тела, но и жидкостей. Как и в случае с водородом, чаще всего такой процесс приводит к коррозии (если речь идет о металлах).

Классическим примером диффузии жидкости в твердых телах является коррозия металлов под воздействием воды (Н2О) или растворов электролитов. Для большинства этот процесс более знаком под названием ржавления.

В отличие от водородной коррозии, на практике с ним приходится сталкиваться значительно чаще.

Условия ускорения диффузии. Коэффициент диффузии

Разобравшись с тем, в каких веществах может происходить рассматриваемый процесс, стоит узнать об условиях его протекания.

В первую очередь быстрота диффузии зависит от того, в каком агрегатном состоянии пребывают взаимодействующие вещества. Чем больше плотность материала, в котором происходит реакция, тем медленнее ее скорость.

В связи с этим диффузия в жидкостях и газах всегда будет проходить более активно, нежели в твердых телах.

К примеру, если кристаллы перманганата калия KMnO4 (марганцовка) бросить в воду, они в течение нескольких минут придадут ей красивый малиновый цвет. Однако если посыпать кристаллами KMnO4 кусочек льда и положить все это в морозилку, по прошествии нескольких часов перманганат калия так и не сможет полноценно окрасить замороженную Н2О.

Из предыдущего примера можно сделать еще один вывод об условиях диффузии. Помимо агрегатного состояния, на скорость взаимопроникновения частиц влияет также и температура.

Чтобы рассмотреть зависимость от нее рассматриваемого процесса, стоит узнать о таком понятии, как коэффициент диффузии. Так называется количественная характеристика ее скорости.

В большинстве формул она обозначается при помощи большой латинской литеры D и в системе СИ измеряется в квадратных метрах на секунду (м²/с), иногда – в сантиметрах за секунду (см2/м).

Коэффициент диффузии равен количеству вещества, рассеивающегося через единицу поверхности на протяжении единицы времени, при условии, что разность плотностей на обеих поверхностях (расположенных на расстоянии равном единице длины) равна единице. Критерии, определяющие D, – это свойства вещества, в котором происходит сам процесс рассеивания частиц, и их тип.

Зависимость коэффициента от температуры можно описать при помощи уравнения Аррениуса: D = D0exp(-E/TR).

В рассмотренной формуле Е – минимальная энергия, необходимая для активации процесса; Т – температура (измеряется по Кельвину, а не Цельсию); R – постоянная газовая, характерная для идеального газа.

Помимо всего вышеперечисленного, на скорость диффузии в твердых телах, жидкости в газах влияет давление и излучение (индукционное или высокочастотное). Кроме того, многое зависит от наличия катализирующего вещества, часто именно оно выступает в роли пускового механизма для начала активного рассеивания частиц.

Уравнение диффузии

Данное явление – частный вид уравнения дифференциального при частных производных.

Его цель – отыскать зависимость концентрации вещества от размеров и координат пространства (в котором оно диффундирует), а также времени. При этом заданный коэффициент характеризует проницаемость среды для реакции.

Чаще всего уравнение диффузии записывают следующим образом: ∂φ (r,t)/∂t = ∇ x [D(φ,r) ∇ φ (r, t)].

В нем φ (t и r) — плотность рассеивающегося вещества в точке r во время t. D (φ, r) — диффузии обобщенный коэффициент при плотности φ в точке r.

∇ — векторный дифференциальный оператор, компоненты которого по координатам относятся к частным производным.

Когда коэффициент диффузии зависим от плотности, уравнение является нелинейным. Когда нет — линейным.

Рассмотрев определение диффузии и особенности данного процесса в разных средах, можно отметить, что он имеет как положительные, так и отрицательные стороны.

Источник: https://FB.ru/article/331939/diffuziya-v-tverdyih-telah-jidkostyah-i-gazah-opredelenie-usloviya

Законы Фика | Основы диффузии

Холодная диффузия

Итак, в основе любой теории диффузии (красителей в волокнистых материалах, компонентов в пластических массах, обмена ионов в ионообменных материалах, а также частиц в кристаллических веществах, включающих металлы, полупроводники, оксиды, керамику, стекла и т.д.), лежат законы Фика. Существуют два закона Фика – первый и второй.

Первый закон Фика

Первый закон Фика описывает квазистационарные процессы, когда проницаемая для обменивающихся местами частиц мембрана (пластинка) разделяет две среды (которые могут быть жидкими или газообразными) с существенно постоянными условиями на границах раздела.

Эта мембрана может быть инертной по отношению в диффундирующим веществам (например, пористое стекло, разделяющее водные солевые растворы различной концентрации или солевого состава) или активной по отношению к одному или нескольким диффундирующим компонентам (например, палладиевая мембрана, пропускающая через себя водород при высокой температуре из-за специфических процессов сорбции на ее границе и практически не пропускающая другие газы).

Уравнение, описывающее первый закон Фика, имеет следующий вид:

где j – поток вещества через единицу поверхности, D – коэффициент диффузии (в общем случае – коэффициент взаимодиффузии), C – концентрации по толщине мембраны, равная разнице концентраций переносимого вещества по обе стороны мембраны, x – толщина мембраны.

Очевидно, что к обсуждаемым нами процессам образования цинкового покрытия это уравнение неприменимо, поскольку изучаемые нами процессы являются нестационарными.

Второй закон Фика описывает нестационарные процессы, и именно его необходимо применять для описания закономерностей, с которыми имеют дело как металлурги, так и работники других специальностей, соприкасающиеся с проблемами массопереноса в твердых телах.

Рассмотрим его действие на следующем примере. Возьмем два одинаковых образца, имеющих плоскую поверхность и состоящих из металла, который под воздействием нейтронного облучения способен создавать радиоактивные атомы той же природы.

Облучим нейтронным потоком один из двух образцов с тем, чтобы создать в нем радиоактивность, соединим плотно по поверхностям облученный и необлученный образцы между собой и для убыстрения процесса будем выдерживать эту композицию при повышенной температуре.

Вследствие теплового движения радиоактивные атомы из одной части образца будут диффундировать во вторую его часть, причем этот процесс будет продвинут тем более, чем более высока температура и чем больше время опыта.

Затем образцы разъединим, и в каждом образце послойно измерим радиоактивность (технология этого типа эксперимента разработана очень хорошо). В результате эксперимента получаются кривые, изображенные на рис. 7.

38, которые соответствующим образом обрабатываются для расчета эффективных коэффициентов  диффузии. Концентрация радиоактивных ионов на межфазной границе будет равна половине той, что была в исходном левом образце, а сам процесс диффузии будет описываться уравнением:

Метод обработки таких кривых, как следует из литературы, был предложен физиком по фамилии Матано, и, как правило, называется методом Матано и иногда методом Матано- Больцмана (вероятно, из-за того, что метод возник как результат анализа решений уравнений диффузии, полученных одним из великих физиков теперь уже позапрошлого века Больцманом).

Если поверхность образца контактирует с какой-либо средой в жидкой форме, то на границе раздела концентрация данной среды, как правило, остается постоянной, но на форме фронта в железном образце эта особенность эксперимента при условии постоянства эффективного коэффициента диффузии сказывается достаточно мало (рис.7.39).

Для процесса цинкования необходимо смоделировать именно такую картинку. В этом случае концентрация диффундирующего вещества на границе двух сред является практически постоянной, и диффузия вещества в другую среду будет идти до тех пор, пока не достигнет стационара.

Рис. 7.38. Форма фронта диффузии при контакте двух твердых образцов, в одном из которых (в данном случае слева) методом нейтронного облучения созданы радиоактивные атомы, для двух значений времени эксперимента.

Рис. 7.39. Ожидаемая форма фронта в поглощающей среде при диффузии из среды с постоянной концентрацией на границе.

Второй закон Фика

Уравнение нестационарной диффузии описывается, как было уже сказано, вторым законом Фика, который для диффузии с постоянной концентрацией на границе двух фаз имеет следующий вид:

где n = 2, 1 или 0 – для шара, бесконечного цилиндра и бесконечной пластины.

Для бесконечной пластины уравнение имеет вид:

Ниже приведены соответствующие решения для степени завершения обмена как функции времени при постоянных коэффициентах диффузии:

для шара: 

для пластины: 

и для бесконечного цилиндра: 

μ – корни функции Бесселя нулевого порядка, Bt = π2F0

N – степень завершения процесса обмена

F0 = D*t / l2 – безразмерный параметр, где (D – коэффициент диффузии, t – время, l – линейный параметр)

Эти уравнения показывают, какая доля атомов (от максимально возможной) накапливается в поглощающей части образца.

Анализ показывает, что получаемые кривые, изображенные на рис. 7.39, никоим образом не напоминают типичный фронт сорбции цинка поверхностью железа, картинку которого можно видеть на рис. 7.40. Если верить кривой, полученной на рис. 7.

39, наибольшей толщиной должны обладать ζ– и Г1-фазы, а δ-фаза должна иметь промежуточную толщину (о η-фазе мы поговорим несколько позже). Аналогичные результаты (то есть не совпадающие с фронтом, изображенным на рис. 7.

39) были получены в значительном количестве исследований, и вот отсюда начинается игра ума.

Одни начинают искать причину в том, что поскольку изучаемое тело имеет кристаллическую структуру, то коэффициенты диффузии в различных направлениях являются различными. Действительно, на монокристаллах в ряде случаев это доказано. Но вот беда: сталь – это поликристаллическое тело, и для процесса цинкования этим вряд ли можно объяснить упомянутые выше экспериментальные закономерности.

Другие ищут причину отклонения от теоретической зависимости в методе Матано в том, что необходимо в уравнении второго закона Фика использовать не градиент концентрации, а градиент химического потенциала. В этом случае уравнение значительно усложняется, и неизвестно, какие результаты – отражающие или не отражающие действительность – будут получены.

Наконец, третьи пошли логически более правильным путем. На самом деле, при диффузии в металле с примесью (сплаве) диффундирует не один вид частиц, а, как минимум, два. Эти два вида частиц диффундируют навстречу друг другу, к тому же обладают различной подвижностью.

Если отсчитывать скорость их передвижения от некоторой воображаемой плоскости (рис 7.

41), то будет обнаружено, что через некоторое время эксперимента эта плоскость передвинется в сторону той части образца, которая содержит более быстрые частицы (эффект Киркендаля).

Рис. 7.40. Форма фронта, рассчитанная из содержания цинка в каждой из фаз внутри цинкового покрытия.

Рис. 7.41. Сущность эффекта Киркендаля. Пластина из латуни окружена слоем меди, нанесенной электролитически, причем на границе латунного образца предварительно закреплены метки из молибденовой проволоки. В результате выдерживания образца в течение нескольких сотен часов при повышенной температуре метки передвинулась внутрь образца.

Когда анализируют данные по кинетике образования цинк- железного покрытия на образце, исследуются дотошно любые факты, включая тип и структуру образующихся железо-цинковых сплавов, но ни в одной статье до настоящего времени не анализировалась форма фронта цинка в покрытии.

Между тем, именно форма фронта говорит о многом, и именно выяснение причин ее образования может стать ключом к количественному описанию скорости образования железо-цинковых слоев.Обратим внимание на следующее.

Почти во всех исследованиях в низкотемпературной области (достоверных сведений о форме фронта в высокотемпературной области нами не найдено) образуется форма обрывного фронта, близкая к изображенной на рис. 7.40. Эта форма не сильно зависит от температуры процесса, толщины образующегося покрытия и наличия или отсутствия в образце кремния (фосфора).

Между тем имеется очень мало процессов, которые характеризуются такой формой фронта. Одним из таких процессов является процесс горения с быстрым отводом образующихся продуктов горения от поверхности. Для горящего шара, например, процесс горения описывается уравнением:

где R – радиус шара до начала горения, r – радиус координаты горения, D – коэффициент диффузии.

Очевидно, что если мы сделаем плоский образец с защитой боковых поверхностей, то процесс горения будет происходить только на одной из поверхностей без изменения ее реальной площади, то есть скорость уменьшения толщины образца будет пропорциональна времени. Пример такого процесса – «курение сигареты» автоматическим курильщиком с постоянной скоростью просасывания воздуха через образец.

Между тем, в огромном большинстве исследований наблюдается обратноквадратичная зависимость скорости образования слоя (скорости вымывания железа в расплав) от времени, то есть выполняется зависимость:

Однако необходимо тщательно проверить последнее утверждение, прежде чем принимать его за аксиому.

На рис. 7.42 и 7.43 приведены данные по зависимости скорости накопленияжелеза в расплаве от времени при различных температурах. В книге утверждается, что при построении этих данных в координатах получаются прямые линии для всех температур, кроме данных при 510°С, где наблюдается прямолинейная зависимость. Проверим это утверждение.

Рис. 7.42. Зависимость скорости накопления железа в расплаве с течением времени от температуры в высокотемпературной области.

Рис. 7.43. Зависимость скорости накопления железа в расплаве от времени в низкотемпературной области.

Таблица № 7.5. Определение формального порядка реакции методом сравнения с базисной зависимостью для данных по скорости вымывания железа из образца в течение процесса цинкования.

Время, минА)Температура исследования, °С
570620650680740
607,7570,90151,94293,74344,39516,58
12010,9511,51,0521,51,96464,2052,54,8083,57,62
18013,4213,51,00241,7958,54,36664,92104,57,78
24015,4914,50,9425,51,6568,54,42785,04118,57,65
30017,3216,00,92271,5676,54,41875,02

А) – время (отн. единицы) базисной функции.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи: by HyperComments

Источник: https://ECM-zink.ru/info/stati/zakonyi-fika-osnovyi-diffuzii.html

Диффузия: причины, особенности процесса, примеры в природе

Холодная диффузия

  • Что такое диффузия?
  • Причины диффузии
  • Формула диффузии
  • Диффузия в твердых телах
  • Диффузия в жидкостях
  • Диффузия в газах
  • Примеры диффузии в окружающем мире
  • Диффузия, видео
  • Что такое диффузия?

    Само слово «диффузия» латинского происхождения – «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, рассеивание». В физике под диффузией подразумевается процесс взаимопроникновения микрочастиц при соприкосновении разных материалов.

    Академическое определение того, что такое диффузия, звучит следующим образом: «Диффузия – это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества вследствие их хаотичного движения и столкновения друг с другом».

    Какие свойства диффузии, причины ее возникновения, как проявляется этот процесс в разных веществах, об этом читайте далее.

    Причины диффузии

    Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).

    Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO4) и растворить в воде (H2O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO4-. Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ – OH-.

    Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.

    Вот так этот процесс выглядит схематически.

    Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.

    Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.

    Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества.

    Формула диффузии

    Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения:

    В этом уравнении J – плотность материала, D – коэффициент диффузии, а ac/dx – градиент концентрации двух веществ.

    Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.

    Диффузия в твердых телах

    В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.

    Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.

    Диффузия в жидкостях

    Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.

    Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера выше) осуществляется за минуту.

    Диффузия в газах

    В газах диффузия происходит еще быстрее, чем в жидкости, связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, и никак не сцепленные частицы легко перемешиваются друг с другом, проникая в молекулы других газов. Небольшие коррективы при диффузии газов может вносить разве только гравитация.

    Примеры диффузии в окружающем мире

    Благодаря диффузии:

    • поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности нашей планеты,
    • происходит питание растений,
    • осуществляется дыхание человека и животных.

    Значимый биологический процесс – фотосинтез осуществляется, в том числе и при помощи диффузии: как мы знаем, благодаря энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие, кислород, который выделяется при этом, попадает в атмосферу и поглощается всеми живыми организмами. Так вот, и сам процесс поглощения кислорода человеком и животными, и обмен веществ у растений, все это поддерживается диффузией, без которой не могла бы существовать сама Жизнь.

    Но это в глобальном плане, в более простых вещах, мы можем наблюдать диффузию:

    • В саду, где цветы источают свой аромат благодаря диффузии (их частицы перемешиваются с частицами окружающего воздуха).
    • Растворяя сахар в чае или кофе, чай или кофе становится сладким благодаря диффузии.
    • При резке лука у вас начнут слезиться глаза, происходит это тоже по причине диффузии, молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха и ваши глаза на это реагируют.

    Таких примером можно приводить еще много.

    Диффузия, видео

    И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

    При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

    Эта статья доступна на английском языке – Diffusion.

    Источник: https://www.poznavayka.org/fizika/diffuziya/

    Что такое диффузия и её причины, где она протекает быстрее всего, примеры из окружающего мира

    Холодная диффузия

    О таком понятии, как диффузия, слышали абсолютно все люди. Это было одной из тем на уроках физики в 7 классе. Несмотря на то что это явление окружает нас абсолютно везде, мало кто знает о нём. Что же оно всё-таки означает? В чём заключается его физический смысл, и как можно облегчить жизнь с её помощью? Сегодня мы с вами об этом и поговорим.

    • Диффузия в физике: определение
    • Причины возникновения
    • Диффузия в газах
    • Как протекает диффузия в жидкостях
    • Диффузия в твёрдых телах: примеры
    • Примеры диффузии в окружающем мире
    • Подробно про диффузию в газах жидкостях и твердых телах подробно рассказано в видео.

    Диффузия в физике: определение

    Это — процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого вещества. Говоря простым языком, этот процесс можно назвать смешиванием. Во время этого смешивания происходит взаимное проникновение молекул вещества друг между другом. Например, при приготовлении кофе молекулы растворимого кофе проникают в молекулы воды и наоборот.

    Скорость этого физического процесса зависит от следующих факторов:

    1. Температура.
    2. Агрегатное состояние вещества.
    3. Внешнее воздействие.

    : МПА в атмосферы, как правильно перевести давление?

    Чем выше температура вещества, тем быстрее движутся молекулы. Следовательно, процесс смешивания происходит быстрее при высоких температурах.

    Агрегатное состояние вещества — важнейший фактор. В каждом агрегатном состоянии молекулы движутся с определённой скоростью.

    Диффузия может протекать в следующих агрегатных состояниях:

    1. Газ.
    2. Жидкость.
    3. Твёрдое тело.

    Скорее всего, у читателя сейчас возникнут следующие вопросы:

    1. Каковы причины возникновения диффузии?
    2. Где она протекает быстрее?
    3. Как она применяется в реальной жизни?

    Ответы на них можно узнать ниже.

    : энтропия — это что такое, где применяется термин?

    Причины возникновения

    Абсолютно у всего в этом мире есть своя причина. И диффузия не является исключением. Физики прекрасно понимают причины её возникновения. А как донести их до обычного человека?

    Наверняка каждый слышал о том, что молекулы находятся в постоянном движении. Причём это движение является беспорядочным и хаотичным, а его скорость очень большая. Благодаря этому движению и постоянному столкновению молекул происходит их взаимное проникновение.

    Есть ли какие-то доказательства этого движения? Конечно! Вспомните, как быстро вы начинали чувствовать запах духов или дезодоранта? А запах еды, которую готовит ваша мама на кухне? Вспомните, как быстро готовится чай или кофе. Всего этого не могло быть, если бы не движение молекул. Делаем вывод — основная причина диффузии заключается в постоянном движении молекул.

    Теперь остаётся только один вопрос — чем же обусловлено это движение? Оно обусловлено стремлением к равновесию. То есть, в веществе есть области с высокой и низкой концентрацией этих частиц.

    И благодаря этому стремлению они постоянно движутся из области с высокой концентрацией в низкоконцентрированную.

    Они постоянно сталкиваются друг с другом, и происходит взаимное проникновение.

    Интересно знать: Система отсчета это что такое, определение и виды.

    Как протекает диффузия в жидкостях

    Диффузия в жидкостях протекает медленнее. Она может длиться от нескольких минут до нескольких часов.

    Самый яркие примеры из жизни:

    1. Приготовление чая или кофе.
    2. Смешивание воды и марганцовки.
    3. Приготовление раствора соли или соды.

    В этих случаях диффузия протекает очень быстро (до 10 минут). Однако если к процессу будет приложено внешнее воздействие, например, размешивание этих растворов ложкой, то процесс пойдёт гораздо быстрее и займёт не более одной минуты.

    Диффузия при смешивании более густых жидкостей будет происходить гораздо дольше. Например, смешивание двух жидких металлов может занимать несколько часов. Конечно, можно сделать это за несколько минут, но в таком случае получится некачественный сплав.

    Например, диффузия при смешивании майонеза и сметаны будет протекать очень долго. Однако, если прибегнуть к помощи внешнего воздействия, то этот процесс и минуты не займёт.

    Диффузия в твёрдых телах: примеры

    В твёрдых телах взаимное проникновение частиц протекает очень медленно. Этот процесс может занять несколько лет. Его длительность зависит от состава вещества и структуры его кристаллической решётки.

    Опыты, доказывающие, что диффузия в твёрдых телах существует.

    1. Слипание двух пластин разных металлов. Если держать эти две пластины плотно друг к другу и под прессом, в течение пяти лети между ними будет слой, имеющий ширину 1 миллиметр. В этом небольшом слое будут находиться молекулы обоих металлов. Эти две пластины будут слиты воедино.
    2. На тонкий свинцовый цилиндр наносится очень тонкий слой золота. После чего эта конструкция помещается в печь на 10 дней. Температура воздуха в печи — 200 градусов Цельсия. После того как этот цилиндр разрезали на тонкие диски, было очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.

    Подробно про диффузию в газах жидкостях и твердых телах подробно рассказано в видео

    Источник: https://obrazovanie.guru/nauka/fizika/diffuziya-opredelenie-i-primery-v-okruzhayushhem-mire.html

    Все о медицине
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: