|
|
|
| Межотраслевая Интернет-система поиска и синтеза физических принципов действия преобразователей энергии | |
Стартовая страница |
О системе |
Технические требования |
Синтез |
Обучающий модуль |
Справка по системе |
Контакты |
 | Диффузия |
 | |
Анимация
Описание
Диффузия - взаимное проникновение соприкасающихся веществ вследствие теплового движения частиц вещества. Диффузия имеет место в газах, жидкостях и твердых телах, причем диффундировать могут как находящиеся в них частицы посторонних веществ, так и собственные частицы (самодиффузия).
Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее - в жидкостях, еще медленнее - в твердых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах.
Проведем описание диффузии примеси одного газа в другом. Для простоты будем считать, что оба газа имеют практически одинаковые молекулы и их суммарная концентрация постоянна и равна величине n:
n = n1 + n2,
где n1 и n2 - концентрации газов.
Введение последнего условия необходимо для того, чтобы в системе не возникало макроскопическое перемешивание газов, а их взаимное проникновение происходило только за счет диффузии.
Пусть концентрация диффундирующего газа n1 зависит только от одной координаты x: n1 = n1(x). Тогда физической величиной, перенос которой в данном случае осуществляется вследствие диффузии, является относительная концентрация газа, которая также зависит только от переменной x:
.
Подстановка этого выражения в уравнение переноса дает уравнение диффузии в виде:
. (1)
Соответственно выражение для потока частиц Jn1 принимает форму:
, (2)
где S - площадь, а введенный коэффициент D называется коэффициентом диффузии:
. (3)
Выражения, аналогичные формулам (1) и (2), могут быть записаны и для второго газа, имеющего концентрацию n2.
Уравнение (3) позволяет также записать формулу, описывающую поток массы. Считая, что молекула газа имеет массу m, умножим на эту величину уравнение (3) и учтем связь величины потока массы Jp1 и потока концентрации частиц Jn1:
Jp1 = mЧJn1.
Тогда имеем:
,
где r1 = m·n - плотность диффундирующего газа.
В системе СИ единицей измерения потока массы Jp1 является кг/с.
С учетом формулы для длины свободного пробега:
,
где s - эффективное сечение молекулы газа,
и с учетом выражения для средней скорости:
,
выражение для коэффициента диффузии приобретает вид:
.
Как следует из этой формулы, коэффициент диффузии растет с повышением температуры:
и уменьшается при увеличении концентрации:
.
Уменьшение коэффициента диффузии при увеличении концентрации молекул связано с уменьшением длины свободного пробега l, что приводит к более частым соударениям диффундирующих частиц с молекулами газа.
Коэффициенты диффузии для некоторых веществ приведены в табл. 1.
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
Значения коэффициента диффузии (при атмосферном давлении) |
|||
|
Диффундирующее вещество |
Основной компонент |
Температура, К |
Коэффициент диффузии, м3/с |
|
Водород (газ) |
Кислород (газ) |
273,16 |
0,7·10-4 |
|
Пары воды |
Воздух |
273,16 |
0,23·10-4 |
|
Пары этилового спирта |
Воздух |
273,16 |
0,1·10-4 |
|
Поваренная соль |
Вода |
293,16 |
1,1·10-9 |
|
Сахар |
Вода |
293,16 |
0,3·10-9 |
|
Золото |
Свинец |
293,16 |
4·10-14 |
|
Самодиффузия |
Свинец |
558,16 |
7·10-15 |
Ключевые слова
Разделы наук
Используется в научно-технических эффектах
 | Способ соединения полимерных материалов с помощью ультразвуковых колебаний (Ультразвуковая сварка полимеров) |
| Способ соединения металлов в твердом состоянии с помощью ультразвуковых колебаний (Ультразвуковая сварка металлов) |
Используется в областях техники и экономики
| 2 | | Консервная, овощесушильная и пищеконцентратная промышленность |
Используются в научно-технических эффектах совместно с данным эффектом естественнонаучные эффекты
| 2 | | Возникновение диффузионного потока при наличии градиента концентрации (Диффузия) |
Применение эффекта
Диффузия применяется в химической кинетике и технологии для регулирования химических реакций, в процессах испарения и конденсации, для склеивания веществ.
Для улучшения и измерения физико-химических свойств керамики используют метод диффузионной сварки. Сварка металла с керамикой может быть использована для изготовления замедляющих систем мощных коротковолновых приборов. Для решения проблемы теплоотвода в приборах изготовляют замедляющую систему путем приварки тонкой медной фольги к пластине изолятора, обладающей высокой теплопроводностью. По технологической схеме диффузионной сварки и прессования керамики (рис. 2) процесс образования сварного соединения происходит вследствие растворения керамики с образованием твердых растворов ее элементов в свариваемом металле.
Приспособление для совмещения операций прессования керамики и сварки ее с металлом
Рис. 2
Обозначения:
1 - направляющая;
2 - шток;
3 - сухари;
4 - опоры;
5 - основание.
Это дает необходимую постепенность изменения физико-химических свойств от керамики к металлу.
Реализации эффекта
Техническая реализация эффекта
Важнейшей технической реализацией является применение диффузии клея при склеивании двух поверхностей.
Основа современной полупроводниковой технологии - контролируемая высокотемпературная (около 1000°С) диффузия легирующих примесей в полупроводниковые кристаллы для получения р-п переходов.
На рис. 1 приводится упрощенная схема диффузии в потоке газа с легирующей примесью 1 , например, фосфора в кварцевой трубе 2 в пластины кремния р-типа 4 для создания р-п-перехода.
Диффузия в потоке газа в полупроводник
Рис. 1
Обозначения:
1 - легирующая примесь в потоке газа;
2 - кварцевая трубка;
3 - нагреватель;
4 - кремний р-типа в кварцевой лодочке.
Литература
1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Термодинамика и молекулярная физика.- М.: Наука, 1990.- Т.2.- С.345-393.
2. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия. Физический энциклопедический словарь / Под. ред. А.М. Прохоров.- М.: Сов.энциклопедия, 1983.- С.174-175.
| Стартовая страница О системе Технические требования Синтез Обучающий модуль Справка по системе Контакты | |
 |
|
| Copyright © 2008 РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина | |
