扩散3.1.ppt

第三章第三章固体中的扩散固体中的扩散??当某些原子具有足够高的能量时,便会离开原当某些原子具有足够高的能量时,便会离开原来的位置,跳向邻近的位置,这种由于物质中来的位置,跳向邻近的位置,这种由于物质中原子(或者其他微观粒子)的微观热运动所引原子(或者其他微观粒子)的微观热运动所引起的宏观迁移现象称为起的宏观迁移现象称为扩散扩散。。物质传输的方式: 物质传输的方式: 1 1、、对流对流-- --由内部压力或密度差引起的由内部压力或密度差引起的 2 2、、扩散扩散-- --由原子热运动引起的由原子热运动引起的??气态和液态物质传输气态和液态物质传输/ /原子迁移可以通过对流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。和扩散两种方式进行,对流要比扩散快得多。??固态物质传输固态物质传输/ /原子迁移的唯一方式是扩散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, 固态物质中的扩散与温度有很强的依赖关系, 温度越高,原子扩散越快温度越高,原子扩散越快。。本章主要内容本章主要内容: : ??扩散的宏观规律扩散的宏观规律:扩散物质的浓度分布与:扩散物质的浓度分布与时间的关系时间的关系??扩散的微观机制扩散的微观机制:扩散过程中原子或分子:扩散过程中原子或分子迁移的机制迁移的机制扩散可以分以下四种类型: 扩散可以分以下四种类型: ①①化学扩散和自扩散化学扩散和自扩散: : 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。梯度的扩散称为自扩散,如纯金属的自扩散。②②上坡扩散和下坡扩散上坡扩散和下坡扩散: : 扩散系统中原子由浓度扩散系统中原子由浓度高高处处向向浓度浓度低低处的扩散称为处的扩散称为下坡下坡扩扩散,由浓度散,由浓度低低处处向向浓度浓度高高处的扩散称为处的扩散称为上坡上坡扩散。扩散。③③短路扩散短路扩散: : 原子在晶格内部的扩散称原子在晶格内部的扩散称体扩散体扩散或或晶格扩散晶格扩散,沿晶体中缺,沿晶体中缺陷进行的扩散称陷进行的扩散称短路扩散短路扩散。。短路扩散比体扩散快得多短路扩散比体扩散快得多。。④④相变扩散相变扩散: : 原子在扩散过程中由于原子在扩散过程中由于固溶体过饱和固溶体过饱和而而生成新相生成新相的扩散称的扩散称为相变扩散或称反应扩散。为相变扩散或称反应扩散。 扩散定律及其应用扩散定律及其应用 扩散第一定律扩散第一定律??菲克菲克(Fick A) (Fick A) 第一定律第一定律( (1 1 )第一定律描述:单)第一定律描述:单位时间内通过垂直于扩位时间内通过垂直于扩散方向的某一单位面积散方向的某一单位面积截面的扩散物质流量截面的扩散物质流量(扩散通量(扩散通量 J J) ) 与浓度梯与浓度梯度成正比。度成正比。( (2 2)表达式: )表达式: J=-D(dc/dx) 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/m ; x为扩散距离; C为扩散组元的体积浓度,单位为物质量/m 3; 为沿 x方向的浓度梯度; D为原子的扩散系数,单位为 m 2/s。负号表示扩散由高浓度向低浓度方向进行。 xC??/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。 0/???xC0/??? 扩散第二定律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 0/),(???ttxC