Факультет фізичний
Кафедра прикладної фізики
КУРСОВА РОБОТА
на тему: «Дифузія водню в тонких металевих мембранах»
Студентки курсу, групи
напряму підготовки
спеціальності
(ініціали та прізвище)
Національна шкала __________________
Кількість балів: ____ Оцінка: ECTS ____
Керівник, викл. П.Ю. Долгорукий
(посада,вчене звання,науковий ступінь)
Члени комісії
(підпис) (ПІП)
(підпис) (ПІП)
(підпис) (ПІП)
Зміст
Вступ 3
1.Дифузія і її закономірності 4
1.1Явища супроводжуючі дифузію 4
1.2Явище дифузії 8
1.3Кількісні закономірності дифузії. Закони Фіка. 10
2.Дифузія водню в металах 17
2.1Особливості проникнення атомарного водню 17
2.2 Феноменологічні моделі воднепроникності 19
2.2.1 Гранична задача I роду 19
2.2.2 Oпис кінетики взаємодії водню з металами 20
2.2.3 Зауваження про моделі воднепроникності 22
2.3 Механізми дифузії водню в металах 23
Висновки 25
Вступ
Специфічні особливості сплавів металів з атомарним воднем, що визначають величезний інтерес до них в усьому світі, у великій мірі обумовлені їх унікальними дифузійними властивостями.
Нині для розрахунків електронної структури водню, що взаємодіє з металом як в об'ємі, так і при адсорбції на поверхні, використовуються різні теоретичні підходи. Всі ці методи, що базуються на різних вихідних передумовах і наближеннях, мають одну спільну рису: в основі всіх теоретичних підходів лежить так званий формалізм функціонала щільності, за допомогою якого визначається ефективна середу або ефективний одночасткову потенціал.
Великий прогрес був досягнутий протягом останнього часу в розумінні характеру взаємодії водню з металом, включаючи енергетичні характеристики цієї взаємодії, за допомогою самоузгодженої теорії неоднорідного електронного газу, в якій не враховується реальна структура металу, але коректно враховується міжелектронна взаємодія, включаючи ефекти обміну та кореляції.
Також як відомо, процесу дифузії передує адсорбція атомарного газу на поверхні металу, в подальшому після дифузії здійснюється явище розчинення, тому розгляд і розуміння дифузії слід почати з розгляду саме з супроводжуючих процесів, адсорбції і розчинення.
Дифузія і її закономірності
Явища супроводжуючі дифузію
Адсорбція водню твердими тілами, особливо металевими поверхнями, тісно пов'язана з явищами каталізу, корозії та ін. Важливе значення мають явища адсорбції у вакуумній техніці. За даними мас-спектрографічні аналізу, водень є основним газом, присутнім в електронних лампах.
Поверхнева фізична адсорбція не є специфічною для якого-небудь газу. Всі гази адсорбуються приблизно однаковою мірою, і адсорбція залежить головним чином від природи поверхні адсорбенту. Процес фізичної адсорбції протікає з великою швидкістю і повністю звернемо.
Зі збільшенням тиску фізична адсорбція підвищується, наближаючись до деякому значенню, зазвичай відповідному мономолекулярному шару газу.
Як приклад на рис. 1.1 наведені ізотерми фізичної адсорбції водню залізом. У більшості випадків навіть при низьких тисках спостерігається значна адсорбція водню металами, яка зростає з підвищенням тиску.
Рис1.1: Ізотерми адсорбції водню залізом, відновлення при 450 ° С
З підвищенням температури фізична адсорбція знижується. На рис. 3 приведена ізобара адсорбції водню залізом при тиску 760 мм рт. ст. Для області низьких температур починаючи з -200° С характерна фізична адсорбція (крива А). Аналогічний характер мають ізобари фізичної адсорбції для інших досліджених систем.
Рис 1.2: Ізобара адсорбції водню залізом при тиску 460 мм рт. ст.
Тепловий ефект процесу фізичної адсорбції невеликий і звичайно не перевищує 8,4-16,8 кдж/моль(2000-4000 кал/моль), що свідчить про малу міцності зв'язку газу з металами. Так, теплота фізичної адсорбції водню міддю складає 1,68 - 3,35 кдж/моль (400-800 кал/ моль) при температурі -183° С, а залізом при температурі від -195 до -183° С 8,36 кдж/моль (2000 кал /моль).
З точки зору сучасної теорії поверхнева фізична адсорбція водню є результатом міжмолекулярної взаємодії. При низьких температурах адсорбціровані молекули водню утримуються на поверхні металу слабкими Ван-дер-Ваальсових силами.
Поверхнева фізична адсорбція є початковою стадією сорбційних процесів для більшості досліджених систем водень-метал в області низьких (негативних) температур і як зазначалося вище, не є специфічною. У міру підвищення температури отримують розвиток процеси так званої активованої адсорбції.
Цей вид адсорбції визначається восновному особливостями конкретної системи газ - метал. Так, активована адсорбція чітко проявляється в системах водень-мідь, водень-залізо, водень-нікель, а золото і срібло, не володіють здатністю адсорбувати водень в звичайному температурному інтервалі.
Рис1.3: Ізобари адсобції водню нікелем при різних тисках:
1 - 600 мм рт. ст.;
2 - 200 мм рт. ст.; 3 - 25 мм рт. ст.
Підвищення температури прискорює процес активованої адсорбції і збільшує кількість. адсорбованого газу. На рис. 1.3 представлені ізобари адсорбції водню нікелем. На рис. 1.2, де наведено ізобара адсорбції водню залізом, криві В та С можна розглядати як два види активованої адсорбції з різною енергією активації. Малюнок показує, що вже при температурі -80° С процес взаємодії водню з залізом являє собою активовану адсорбцію. Вище 400° С дослідження адсорбції ускладнюється тим, що водень починає розчинятися в залізі у вимірних кількостях.
Зазвичай вимірювана активована адсорбція відбувається не на чистій поверхні металу, а на поверхні, вже покритої шаром газу.
Розчинення.
При дослідженні систем газ - метал терміном «розчинення» зазвичай прийнято позначати процес проникнення газоподібних елементів або сполук в обсяг металу, при якому абсорбований газ розподіляється деяким чином серед металевих атомів, що утворюють кристалічну решітку.
Утворений комплекс зазвичай називають твердим розчином змінного складу, вважаючи, що атоми растворяемого елемента заміщають вакантні місця в решітці розчинника або впроваджуються в міжатомні простори решітки. Застосуванням терміна «твердий розчин» підкреслюється, що поглинання газу не змінює металевого характеру розчинника. Термін «твердий розчин», так само як і пов'язані з ним поняття «розчинності» і «граничної розчинності», широко застосовується при розгляді систем водень - метал. Ці терміни до останнього часу відігравали певну позитивну роль як формальне позначення явища, так як дозволяли класифікувати різні види взаємодії металів з воднем і полегшували зіставлення експериментальних даних. В даний же час застосування цих термінів вже не виправдане.
Поряд з терміном «розчинення» при дослідженнях систем водень - метал широко застосовуються також терміни «абсорбція» і «оклюзія», ці процеси йдуть за «адсорбцією». Термін «оклюзія» не містить будь-якого трактування сутності явища і відображає лише самий факт поглинання і утримання газу в обсязі металу.
Численні дослідження ізотерм розчинності водню в різних металах дозволили встановити, що при низьких тисках розчинність підкоряється закону квадратного кореня:
де S - розчинність;
К - константа;
р - тиск.
Суворе дотримання закону квадратного кореня є доказом атомарного характеру процесу розчинення.
|
Скачать 1.03 Mb.