Практична робота №5
Вивчення процесів дифузії
при спіканні кристалічних тіл
1, Причини й закони дифузії.
Дифузія - поширення речовини в якому-небудь середовищі в напрямку зменшення її концентрації ,
обумовлене тепловим рухом іонів,
атомів, молекул, а також більших часток.
Дифундувати можуть як розчинені в речовині частки, так і частки самої речовини
(самодифузія). Якщо в системі
підтримується нерівномірний розподіл температури або на систему діють зовнішні сили, наприклад електричні, то відбувається безпосередньо
термодифузія, електродифузія й т.д., у результаті яких урівноважується нерівномірний
розподіл концентрацій.
Для дифузії в ідеальних розчинах при відсутності
зовнішніх сил справедливий перший закон Фіка:
d=-D Sdt
де: d - маса речовини, перенесеного
при дифузії за час ии через площадку S розташовану до осі х;
- градієнт
концентрації;
D – коефіцієнт дифузії.
Причини дифузії можна пояснити законами
термодинаміки. Процеси дифузії можливі, якщо при цьому зменшується вільна
енергія системи або підвищується ентропія. Так як, дифузійні
процеси пов'язані зі зміною ентропії, вони необоротні. Якщо система перебуває в
рівновазі, тобто ентропія максимальна, дифузія не може відбувається мимовільно. Таким чином,
процеси дифузії відбуваються при відхиленні від термодинамічної
рівноваги. Дифузія - це особливий процес переносу речовини в результаті блуканні
елементарних часток.
Розрізняють гетерогенну (або хімічну дифузію),
що протікає при наявності різниці хімічних потенціалів (концентраційних
потенціалів) в обсязі системи; і самодифузія,
коли мова йде про одноатомні системи й дифузія відбувається шляхом вирівнювання
різних кінетичних енергій атомів (аналогічно броунівському руху в рідинах).
Атомний механізм дифузії в кристалах можна
представити як механізм обміну місць. Щоб частка, що перебуває у вузлі решітки , могла покинути своє нормальне місце, їй необхідно додати певну енергію (енергію
активації). Остання особливо низка
для часток кристала, що перебувають на
поверхні, тому що вони мають менше зв'язків, чим атоми усередині кристала (поверхнева дифузія або дифузія Фольмера). Рух власних, а також абсорбованих атомів або іонів на поверхні
кристалів є безладним, і відбувається по певних
кращих напрямках (мал. 1).
Дифузія різних атомів теж здійснюється за рахунок обміну місць,
причому на безладний рух, обумовлений розходженнями в хімічних потенціалів компонентів системи.
Дифузійний перенос речовини описується
законами Фіка.
1. Кількість перенесеної речовини (dn) пропорційно
градієнту
концентрації поперечному
перерізу (q) і часу (t):
dn=-D qdt (1)
де х - координати уздовж шляху
дифузії.
D - коефіцієнт дифузії, що
залежить від концентрації, [ див2
* сек ].
Негативний знак уводиться тому, що градієнт приймає негативне
значення, якщо напрямок дифузії вважається позитивним.
о о о оооооооо
о о о о о о оооо
Рис. Напрямку переважної поверхневої дифузії по
грані куба:
а) кристал з кубічними примітивними решітками; б) кристал з кубічної гранецентрованими решітками; в) кристал NaCl
2. Для нестаціонарних систем, у яких коефіцієнт концентрації
залежить від
часу:
= D (частки похідні)
(2)
Якщо розглядати D як незалежну від концентрації величину, що строго виконується
тільки для самодифузії, а в першому наближенні виявляється справедливим для багатьох практичних випадків, співвідношення (2)
переходить в:
+D
(3)
Використання цього диференціального рівняння можливо при
встановленні певних граничних умов. Його
можна проінтегрувати за допомогою функції помилок Гауса. Результатом цього
розрахунку є параболічний закон виду:
X=
(4) де - константа.
Формула (4) надає коефіцієнту наочний фізичний зміст.
Якщо х -середній
зсув атомів, що дифундують, що відповідає
середній глибині проникнення, то
коефіцієнт приблизно може бути виражений через квадрат середнього зсуву;
=2Dt; D=
(5)
У багатьох випадках для рішення параболічного диференціального
рівняння часток похідних простіше
користуватися графічним методом (метод Матано).
2. Методи дослідження.
Для дослідження процесів дифузії застосовують
металографічні, хімічні й фізичні способи.
Останнім часом все більше місце займають методи
із застосуванням радіоактивних ізотопів (особливо при дослідженні самодифузій).
Тамман увів поняття ввів поняття
температури початку помітної дифузії. Температурна залежність швидкості дифузії має експонентний вигляд, що
дозволяє чітко розмежовувати температурні області, так що температура початку
дифузії має відомий сенс, і дуже виправдало себе практично. По Тамману:
Тн. буд. = (0,3 - 04)Tпл.. - для металів;
Тн. буд.
+ 0,6Тпл. -для оксидів;
Тн. буд. = (0,8 - 0,9) Тпл. - для органічних вуглецевих з'єднаний.
2.1. Металографічні й хімічні методи часто засновані на
використанні двох циліндричних посудин, що перебувають у тісному контакті. При досить високих температурах
відбувається міграція атомів по напрямку від
циліндрів. Зміна концентрації
уздовж шляхи дифузії можна здійснити, зокрема,
хімічним аналізом тонких пластинок, отриманих шляхом зрізу на стінці (мал. 2).
Глибина проникнення , х
Рис.2. Діаграма з = f(x) для розрахунку
процесу дифузії
Процеси дифузії можна вивчати, визначаючи загальну кількість
атомів, що дифундують через відомий контрольний перетин. Якщо привести в контакт дві пластинки, які після
досвіду можна відокремити друг від друга по місцю контакту, то після ці пластинки будуть
мати в загальному випадку іншу масу в
порівнянні з вихідними пластинками (метод
особливо придатний для оксидів, тому що в
металів після дифузії відокремити пластинки
друг від друга взагалі не вдається).
2.2. Фізичні методи. Один з найважливіших - випробування на
мікротвердість. Принцип методу полягає в
тому, що після минулої дифузії роблять відбитки, наприклад, алмазною пірамідкою
на різному видаленні від вихідної граничної поверхні. Тому що твердість змішаних кристалів звичайно вище, ніж у чистих компонентів, одержують закономірну зміну мікротвердості залежно від концентрації
(мал. 3).
А Напрямок дифузії В
100% Глибина проникнення А в У 100%
Рис. З. Визначення глибини
дифузійного проникнення за допомогою виміру
мікротвердості.
Наступний метод складається у вимірі електропровідності. У цьому випадку досвід з дифузією доцільно проводити
на дротах, у яких радіально дифундує другий компонент. Потім по каліброваній кривій одержують зв'язок між провідністю й концентрацією.
2.3. Метод радіоактивних ізотопів має свої особливості для
вивчення реальних систем. Для визначення
коефіцієнта самодифузії використають
циліндричні зразки, один із яких позначений радіоактивним ізотопом. Після закінчення
досвіди виготовляють тонкі пластини й вимірюють їхню радіоактивність.
Також можна використати авторадіографічний метод, що складається в тім, що радіоактивний компонент, перебуваючи в контакті з фотоплівкою,
викликає почорніння емульсії, по якому можна
судити про глибину проникнення.
Контрольні питання
1.
Що таке дифузія і які її причини?
2.
Що таке самодифузія?
3.
У чому особливості поверхневої дифузії?
4.
Перший закон Фіка:
а) чому "-" D?
б) від чого залежить коефіцієнт дифузії (за
інших рівних умов)?
в) яка розмірність коефіцієнта дифузії?
5. Другий закон Фіка:
а) як можна проінтегрувати диференціальне рівняння за допомогою функції помилок Гауса?
б) який фізичний зміст
коефіцієнта дифузії?
6.
Які способи застосовують для дослідження процесів дифузії?
7.
Як залежить швидкість і коефіцієнт і швидкість дифузії від
температури?
8.
Від чого залежить температури початку
помітної дифузії й чому вона дорівнює для різних речовин?
9.
Як досліджують дифузію металографічними й хімічними методами?
10. Чи можна досліджувати дифузію, маючи зразки у вигляді пластинок? Яким образом? Для
яких речовин?
11. Які фізичні методи
дослідження дифузії застосовують?
12. У чому сутність методу радіоактивних
ізотопів?
Другие работы по теме:
Теорія економічного аналізу
Сутність та предмет економічного аналізу. Визначення понять "технологія", "фактор", "резерв", "аналіз". Класифікація господарських резервів. Управлінський та оперативний аналіз. Основні джерела інформації у процесі здійснення аналітичного дослідження.
Вивчення хімічних дефектів кристалічних грат
Хімічні дефекти кристалічної решітки-це відхилення від правильної форми кристала, пов'язані із впливом домішок. Типи хімічних дефектів: змішані кристали; центри фарбування в йонних кристалах; електронна провідність у напівпровідникових з'єднаннях.
Каталітичні процеси
Каталітичні процеси, їх особливості. Історія, поняття та суть каталітичних процесів. Активність і селективність каталізаторів. Гомогенний і гетерогенний каталіз. Найважливіші технологічні характеристики каталізаторів, розрахунки каталітичних процесів.
Шляхи покращення викладання фармакології
РЕФЕРАТ На тему: “Шляхи покращення викладання фармакології” На сучасному етапі розвитку медичної освіти в Україні великого значення набуває професійна підготовка майбутніх медиків.
Будова атомів металів
Атомно-кристалічна будова металів. Поліморфні, алотропні перетворення у металах. Основні зони будови зливка. Характерні властивості чорних металів за класифікацією О.П. Гуляєва. Типи кристалічних ґраток, характерні для металів. Приклади аморфних тіл.
Кристалічні й аморфні тверді тіла Внутрішня будова кристалів
Реферат на тему: Кристалічні й аморфні тверді тіла. Внутрішня будова кристалів Кристалічні тіла мають певну температуру плавлення, незмінну при сталому тиску; в’язкість аморфних речовин під час нагрівання зменшується; вони переходять у рідкий стан, розм’якшуючись поступово.
Вивчення законів нормального розподілу Релея
Вивчення законів розподілу різних випадкових процесів нормального шуму, гармонійного і трикутного сигналів з випадковими фазами. Перевірка нормалізації розподілу при збільшенні числа взаємно незалежних доданків у випадковому процесі. Вимоги до роботи.
Характеристика твердого стану речовини
Заняття № Тема: Характеристика твердого стану речовини. Питання: Характеристика твердого стану речовини. Кристалічні та аморфні речовини. Анізотропія кристалів. Кристалічні решітки та їх дефекти. Види кристалічних структур.
Соціальне прогнозування
КОНТРОЛЬНА РОБОТА З ДИСЦИПЛІНИ „СОЦІОЛОГІЯ” Принципи і методи соціального прогнозування. У соціологічному вивченні особливе місце займає соціальне прогнозування, як конкретне уявлення, передбачення, і судження про подію, стан соціальною об'єкта в майбутньому. Його не слід плутати із соціальним плануванням.
Основи соціології
Місце соціології у системі суспільних наук. Характеристика функцій соціології, її завдань, рівнів. Поняття та об`єкт соціологічного пізнання. Основні види самогубств за теорією Дюркгейма. Компонент релігійної відповідальності протестанта за М.Вебером.
Характеристика процессу екстрагування
Реферат на тему: „Характеристика процессу екстрагування” Екстракційний процес – основа виробництва фітопрепаратів Процеси екстракції або вилучення мають велике значення в сучасній фармації. Шляхом вилучення отримується основна група галунових препаратів – екстракти і настойки, а також новогаленові препарати, вилучення зі свіжих рослин та інші препарати.
Абсорбція лікарської речовини в організмі
Реферат на тему: Абсорбція лікарської речовини в організмі” Абсорбція (транспорт, всмоктування) лікарської речовини - проникнення крізь біологічні мембрани в кров і тканини до специфічного клітинного рецептора. Незалежно від шляху введення лікарська речовина має проникнути крізь різні біологічні мембрани.
Виведення лікарської речовини з організму
Реферат на тему: Виведення лікарської речовини з організму Завершувальним етапом взаємодії лікарської речовини й організму є виведення (екскреція) її (або її метаболітів) різними органами і тканинами: нирками, печінкою, легенями, слизовою оболонкою травного каналу, сльозовими, потовими, молочними (під час лактації) залозами тощо.
Педагогічні інновації в дошкільній освіті
Реферат на тему: Педагогічні інновації в дошкільній освіті Для сучасного етапу розвитку освіти в Україні, зокрема дошкільної, характерна широка наявність у ньому інноваційних процесів.
Птуха Михайло Васильович - статистик та демограф
Реферат на тему: Птуха Михайло Васильович (1884-1961) статистик і демограф Народився в м. Остер на Чернігівщині. Закінчив юридичний факультет Петербурзького університету (1910 р.). З 1913 р. — приват-доцент Петербурзького університету. В 1916—1918 рр. викладав політичну економію та статистику в Пермському університеті.
Наукове дослідження інформаційного забезпечення web сайту вищого навчального закладу України
Наукове дослідження інформаційного забезпечення web – сайту вищого навчального закладу України Сьогодні набуває актуальності проблема інформаційного забезпечення web – сайту вищого навчального закладу України забезпеченням наукової діяльності. Основою інформаційної підтримки інноваційних процесів є структуровані інформаційно-освітні ресурси (портали) і сучасні інформаційно-комунікаційні технології, що забезпечують ефективне використання учасниками інноваційних процесів цих інформаційно-освітніх ресурсів.
Сутність і значення нормування праці
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ЄНАКІЄВСЬКИЙ ТЕХНІКУМ ЕКОНОМІКИ І МЕНЕДЖМЕНТУ ДОНЕЦЬКОГО НАЦІОНАЛЬНОГО УНІВЕРСИТЕТУ Самостійна робота з предмету «Основи нормування і оплати праці»
шпора по РПС
Формалізація – представлення простих для сприйняття або дослідження форми найзначніших індивідуальних рис об'єкту або явища, що вивчається. В просторових дослідженнях моделювання застосовується переважно в тих випадках, коли метою дослідження є з'ясування загальних закономірностей або детальне вивчення конкретного явища, процесу, що протікає в системі з певними просторовими або часовими властивостями.
Біологічні ритми
Живі організми як об'єктивні реальні форми буття. Хронобіологія – наука про біоритми. Екологічні і фізіологічні аспекти ритмічних процесів. Ритмічні добові коливання фізіологічних процесів у людини та біолектрична активність мозку і м`язової системи.
Абсолютні величини в статистиці
Реферат на тему: Абсолютні величини в статистиці. План. Поняття статистичних величин. Види абсолютних величин. І статистичні ряди і статистичні таблиці містять підсумкові дані, які характеризують сукупність одиниць спостереження.
Волейбол легка атлетика
Декілька вправ для вивчення верхньої передачі м’яча у волейболі. Види змагань з легкої атлетики. І. Передача м’яча. Це важливий технічний прийом, з допомогою якого здійснюють захисні і нападаючі дії. В грі застосовують різноманітні передачі, які за технікою виконання класифікують на верхні і нижні.
Психологічні стани процеси властивості
Психологічні процеси, стани та властивості Оскільки психологія прагне до дійсного пізнання реального життя, вона не обмежується абстрактним вивченням окремих психічних функцій. Намагання проникнути в психічне життя особистості включає вивчення психічних процесів як моментів конкретної діяльності особистості, її властивостей, які проявляються і формуються у діяльності, та її психічних станів, які закріплюють певну сталість, статичність психічного через вчинкову дію.
Основи фізіології психічної діяльності
Реферат на тему: Основи фізіології психічної (вищої нервової) діяльності План 1. Поняття про вищу нервову діяльність 3 2. Умовні рефлекси 4 3. Типи вищої нервової діяльності 6
Проект Фобос
Реферат на тему: Проект «Фобос» Значний інтерес для вивчення закономірностей утворення й еволюції Сонячної системи становить проект «Фобос», здійснення якого почалося в липні 1988 року. Стартом двох радянських автоматичних міжпланетних станцій з космодрому Байконур за маршрутом «Земля — Марс — супутник Марса Фобос» радянські вчені ніби продовжили успішно здійснений у 1985—1986 pp. проект «Вега», який дав можливість дістати унікальні наукові дані про комету Галлея.
Практикум Вивчення роботи в мережі Інтернет
Реферат Практикум "Вивчення роботи в мережі Інтернет" Методичні рекомендації. На сьогоднішній день ще немає достатнього досвіду використання послуг Iнтернета в навчальному процесі, і не існує вітчизняних апробованих методик викладання теми "Глобальна мережа Iнтернет" в середніх закладах освіти.