扩散3.1.pptx

物质传输的方式:
1、对流--由内部压力或密度差引起的
2、扩散--由原子热运动引起的
气态和液态物质传输/原子迁移可以通过对流和扩散两种方式进行,对流要比扩散快得多。
固态物质传输/原子迁移的唯一方式是扩散
固态物质中的扩散与温度有很强的依赖关系,温度越高,原子扩散越快。
本章主要内容:
扩散的宏观规律:扩散物质的浓度分布与时间的关系
扩散的微观机制:扩散过程中原子或分子迁移的机制
扩散可以分以下四种类型:
①化学扩散和自扩散:
扩散系统中存在浓度梯度的扩散称为化学扩散,没有浓度梯度的扩散称为自扩散,如纯金属的自扩散。
②上坡扩散和下坡扩散:
扩散系统中原子由浓度高处向浓度低处的扩散称为下坡扩散,由浓度低处向浓度高处的扩散称为上坡扩散。
③短路扩散:
原子在晶格内部的扩散称体扩散或晶格扩散,沿晶体中缺陷进行的扩散称短路扩散。短路扩散比体扩散快得多。
④相变扩散:
原子在扩散过程中由于固溶体过饱和而生成新相的扩散称为相变扩散或称反应扩散。
扩散定律及其应用
扩散第一定律
菲克(Fick A)第一定律
(1)第一定律描述:单位时间内通过垂直于扩散方向的某一单位面积截面的扩散物质流量(扩散通量J)与浓度梯度成正比。
(2)表达式:
J=-D(dc/dx)
----菲克第一定律或称扩散第一定律
式中,
J为扩散通量,表示扩散物质通过单位截面的流量,单位为物质量/;
x为扩散距离;
C为扩散组元的体积浓度,单位为物质量/m3;
为沿x方向的浓度梯度;
D为原子的扩散系数,单位为m2/s。
负号表示扩散由高浓度向低浓度方向进行。
对于扩散第一定律应该注意以下问题:
①扩散第一方程与经典力学的牛顿第二方程、量子力学的薛定鄂方程一样,是被大量实验所证实的公理,是扩散理论的基础。
②浓度梯度一定时,扩散仅取决于扩散系数,扩散系数是描述原子扩散能力的基本物理量。扩散系数并非常数,而与很多因素有关,但是与浓度梯度无关。
对于扩散第一定律应该注意以下问题:
③当 J = 0,表明在浓度均匀的系统中,尽管原子的微观运动仍在进行,但是不会产生宏观的扩散现象,这一结论仅适合于下坡扩散的情况。
④在扩散第一定律中没有给出扩散与时间的关系,故此定律适合于描述时的稳态扩散,即在扩散过程中系统各处的浓度不随时间变化。
⑤扩散第一定律不仅适合于固体,也适合于液体和气体中原子的扩散。
扩散第二定律
但实际的绝大部分扩散属于非稳态扩散
这时系统中的浓度不仅与扩散距离有关,
也与扩散时间有关,
即
当Δx→0,Δt→0时,上式则为
原子通过微元体的情况
扩散系数一般是浓度的函数,当它随浓度变化不大或者浓度很低时,可视为常数,故可简化为
将扩散第一方程代入上式,得
则在Δt时间内微元体中累积的扩散物质量为:
菲克第二定律或称扩散第二定律