Диффузия. Дифузія. Дифузія фундаментальне явище природи. Воно лежить в основі перетворень речовини і енергії
 Скачать 1.22 Mb.
|
|
ВСТУП Дифузія – фундаментальне явище природи. Воно лежить в основі перетворень речовини і енергії. Його прояви мають місце на всіх рівнях організації природних систем на нашій планеті, починаючи з рівня елементарних частинок, атомів і молекул, і закінчуючи геосферою. Воно широко використовується в техніці, в повсякденному житті. Яскравим прикладом може бути дифузійна зварювання, яке просто необхідно у виробництві електротехніки, зварюванні кольорових металів, для з'єднання яких раніше доводилося використовувати різні припої та флюси, також стала можливою завдяки цій технології. Дифузійні процеси відіграють надзвичайно важливу роль в ряді областей техніки, зокрема в металургії, отже, знання швидкості дифузії при тих чи інших умовах допомагає металургам створювати нові види сплавів з необхідними властивостями. Наприклад, появи нових композитів, що складаються з безлічі слоїв різних за своїм складом матеріалів. Область застосування таких композитів велика. Їм знайшлося місце не тільки у виробничих цехах, а й на будівельних майданчиках. З дифузією із зовнішнього середовища в метал пов'язані цементація, азотування, цинкування та інші. До числа процесів, зворотних у напрямку дифузії, належать зневуглецювання сталей, випаровування цинку з латуні . Процеси спікання порошків (металокераміка, зокрема отримання надтвердих сплавів), зварювання і спайка різних матеріалів і багато інших процесів також в тій чи іншій мірі пов'язані з дифузією. Вивчення цієї теми особливо важливо, оскільки саме поняття дифузії в твердих тілах розширює уявлення властивостей і функцій будови речовини. А саме при розгляді структури твердих тіл передбачалося, що будь-який даний атом завжди «прив'язаний» до певного вузла решітки. Вважалося при цьому, що атом не робить ніяких переміщень, крім теплових коливань щодо свого середнього положення. Насправді атоми мають більшу свободу переміщення і можуть переходити з одного вузла решітки в інший. ДИФУЗІЯ ЯК ЯВИЩЕ ПЕРЕНОСУ ТА ЇЇ РІЗНОВИДИ Дифузія – це процес переміщення частинок в напрямку зменшення їх концентрації. При розгляді структури твердих тіл вважалось, що будь-який даний атом завжди «прив'язаний» до визначеного вузла решітки. Також при цьому, що атом не вчинив ніяких переміщень, крім теплових коливань відносно свого середнього положення. Насправді атоми мають більшу свободу переміщення і можуть переходити з одного вузла решітки в інший. Дифузійний процес завжди протікає поступово, причому довжина елементарних «кроків» близько одного атомного діаметра, тобто кілька ангстрем. Атоми рухаються окремими стрибками з одного положення в інше, при цьому в сумі ці елементарні стрибки забезпечують переміщення атомів на великі відстані. При дифузії в кристалах розрізняють переміщення домішкових атомів і атомів даного твердого тіла (самодифузія) − коли атоми міняються місцями. Домішкові атоми дифундують двома способами: за допомогою руху вакансій і руху атомів впровадження. Явища переносу Процеси переносу − загальна назва фізичних процесів, у яких відбувається обмін, здебільшого нерівноважний, певними розподіленими фізичними величинами між різними областями простору. До процесів переносу належать, наприклад, дифузія − масоперенос, теплообмін − теплоперенос, електричний струм – перенос заряду, в’язкість – імпульс переносу частинок, тощо. Незважаючи на різну природу конкретних фізичних величин, які переходять із однієї ділянки простору в іншу під впливом різноманітних факторів, серед яких значну роль відіграють початкова неврівноваженість та нерівномірність, процеси переносу характеризуються спільними рисами, наприклад тим, що описуються кінетичними рівняннями з просторовими похідними. 1.2 Різновиди дифузії Існують три види різновидів дифузії: Дифузія в газах, рідинах та твердих тілах. Дифузія в газах здійснюється в процесі хаотичного руху молекул і визначається довжиною вільного пробігу. Дифузія в газах безпосередньо пов'язана з іншими явищами перенесення − теплопровідністю і внутрішнім тертям (в'язкістю). Коефіцієнт дифузії в газах дорівнює коефіцієнту теплопровідності. Дифузія в рідинах. Тепловий рух в рідині не має такого простого характеру, як у газах. Кожна молекула (атом) в рідини значну частину часу перебуває в деякій області простору, коливаючись біля свого тимчасового положення рівноваги. По закінчення свого середнього часу перебування в даному місці молекула може зробити стрибок на відстань близько середньої відстані між сусідніми частинками. Таке уявлення добре узгоджується з закономірностями самодифузії простих одноатомних рідин. У рідинах зі складними молекулами велику роль грає геометрія і орієнтація щодо сусідів. У разі великих частинок механізм дифузії нагадує рух кульки у в'язкій рідині. Дифузія в твердих тілах. Також причиною є тепловий рух частинок. Однак, якщо в газах основний вид теплового руху дійсно збігається з хаотичним переміщенням, то в твердих тілах основний вид теплового руху − коливання біля положення рівноваги, що не збігається з блуканнями. Гази переміщаються в твердих тілах у вигляді атомів або іонів по міжвузлю кристалічної решітки або по вакантним місцям. 2 ДИФУЗІЯ У ТВЕРДИХ ТІЛАХ 2.1. Кристалічні тверді тіла Тверді тіла − агрегатний стан речовин, що характеризується постійністю форми і об'єму, причому теплові рухи частинок є хаотичними коливаннями відносно положень рівноваги. Для твердих тіл характерні значні сили міжмолекулярної взаємодії, для них спостерігається так званий дальній порядок в розташуванні частинок, тобто їх впорядковане розташування, що поширюється на великі відстані. Кристали − тверді тіла, в яких частинки (атоми і молекули) розташовані закономірно, утворюючи періодично-просторове укладання. У кристалі частки (іони, атоми, молекули), з яких побудований кристал, зближені до зіткнення і розташовуються по різному, але закономірно за різними напрямками. Для спрощення просторове зображення замінюють схемами , відзначаючи точками центри маси частинок (рис. 1). Кристали розрізняються симетрією розташування частинок.  Рисунок 1 − Приклад схеми кристалічної ґратки. 2.2 Поняття кристалічної решітки Якщо в кристалі провести три напрямки х, у, z, які не лежать в одній площині, то відстані між частинками, розташованими за цими напрямками, в загальному випадку неоднакові і відповідно рівні а, b, с. Площині, паралельній координатним площинам, що знаходяться на відстані а, b, розбивають кристал на безліч паралелепіпедів, рівних і паралельно орієнтованих. Найменший паралелепіпед називають елементарною коміркою. Послідовне переміщення його утворює просторову кристалічну решітку. Вершини паралелепіпеда називають вузлами просторової решітки. З цими вузлами співпадають центри тяжкості частинок, з яких побудований кристал. Для опису елементарної комірки кристалічної решітки використовують шість величин: три відрізки, рівні відстаням а, b, с до найближчих частинок по осях координат, і три кути а, β, γ між цими відрізками (рис 1.1). Співвідношення між цими величинами визначаються симетрією, згідно з якою всі кристали поділяють на сім систем. Розмір елементарної комірки кристалічної решітки оцінюють відрізки a, b, с. Їх називають періодами решітки.  Рис 1.1 Схематичний опис комірки 2.2.1 Решітки Браве Решітки Браве − класифікація просторових решіток кристалів, розроблена О. Браве в 1848 році. Браве припустив, що просторові решітки кристалів побудовані в закономірно розташованих в просторі точок − вузлів (місць розташування атомів), які можуть бути отримані в результаті повторення даної точки шляхом паралельних перенесень (рис. 1.2). Проведенням прямих ліній і площин через ці точки просторова решітка розбивається на рівні паралелепіпеди (осередки). Всього існує 14 типів решіток Браве. За допомогою яких може бути описана структура будь-якого кристала. Залежно від розташування вузлів решітки Браве діляться: на примітивні − вузли розташовані лише у вершинах паралелепіпеда; базоцентрована − вузли розташовані в вершинах паралелепіпеда, а також ще по одному вузлу в центрах двох протилежних граней; об'ємноцентрована − вузли розташовані в вершинах паралелепіпеда і вузол в центрі осередку; гранецентрована − вузли розташовані в вершинах паралелепіпеда та по одному вузлу в центрі кожної грані. Залежно від симетрії елементарної комірки решітки Браве розподіляються по 7 сингоніям (табл. 1.3). Таблиця 1.3 − Класифікація систем за параметрами кристалічної будови
|