Самодиффузия и перенос молекул. Закон Фика.

Самодиффузия, частный случай диффузии в чистом веществе или растворе постоянного состава, при котором диффундируют собственные частицы вещества. При С. атомы, участвующие в диффузионном движении, обладают одинаковыми химическими свойствами, но могут различаться по своим физическим характеристикам (составом атомного ядра, см. Изотопы). При различии изотопного состава вещества за процессом С. можно наблюдать, применяя радиоактивные изотопы (см. Изотопные индикаторы) или анализируя изотопный состав при помощи масс-спектрометров. Изменение концентрации данного изотопа в рассматриваемом объёме вещества в зависимости от времени описывается обычными уравнениями диффузии, а скорость процесса характеризуется соответствующим коэффициентом С. (см. Диффузия). Диффузионные перемещения частиц твёрдого тела могут приводить к изменению его формы и к другим явлениям, если на образец длительно действуют такие силы, как поверхностное натяжение, сила тяжести, упругие силы, электрические силы и т. д. При этом может наблюдаться сращивание двух пришлифованных образцов одного и того же вещества, спекание порошков, растягивание тел под действием подвешенного к ним груза (диффузионная ползучесть материалов) и т. д. Изучение кинетики этих процессов позволяет определить коэффициент С. вещества. Диффузия (от лат. diffusio - распространение, растекание, рассеивание), перенос частиц разной природы, обусловленный хаотическим тепловым движением молекул (атомов) в одно- или многокомпонентных газовых либо конденсирированныхсредах. Такой перенос осуществляется при наличии градиента концентрации частиц или при его отсутствии; в последнем случае процесс называется самодиффузией (см. ниже). Различают диффузию коллоидных частиц (т. наз. броуновская диффузия), в твердых телах, молекулярную, нейтронов, носителей заряда в полупроводниках и др.; о переносе частиц в движущейся с определенной скоростью среде (конвективная диффузия) см. Массообмен, Переноса процессы, о диффузии частиц в турбулентных потоках см. Турбулентная диффузия. Все указанные виды диффузии описываются одними и теми же феноменологическими соотношениями.

Основные понятия. Главной характеристикой диффузии служит плотность диффузионного потока J - количество вещества, переносимого в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению переноса. Если в среде, где отсутствуют градиенты температуры, давления, электрического потенциала и др., имеется градиент концентрации с(х, t), характеризующий ее изменение на единицу длины в направлении х (одномерный случай) в момент времени t, то в изотропной покоящейся среде J = -D(dс/dх), (1)

До сих пор мы почти всегда рассматривали системы, находящиеся в состоянии термодинамического, или

статистического равновесия. Однако, несмотря на безусловно важную роль равновесных состояний, они все же

представляют собой особый случай. Во многих задачах, представляющих огромный физический интерес, мы

имеем дело с системами, не находящимися в равновесных состояниях.

Наука, изучающая процессы, идущие при нарушении равновесия, называется физической кинетикой.

Физическая кинетика рассматривает необратимые процессы в телах, протекающие с конечными скоростями.

Рассмотрение неравновесных процессов, приводящих систему в состояние равновесия, представляет собой

весьма сложную задачу. Поэтому мы подойдем к рассмотрению проблемы с помощью простейших

приближенных методов, выбрав в качестве объекта исследования разреженный газ. Тем не менее, такой подход

позволяет получить ясное представление о физической сути явлений. Более того, оказывается, что полученные

таким образом результаты могут быть применены к рассмотрению неравновесных процессов в системах,

находящихся в других фазовых состояниях (например, твердых телах), и с их помощью удается получить

хорошие численные оценки в тех случаях, когда точные вычисления становятся весьма затруднительными.

Процессы, протекающие в неравновесных системах, называются процессами переноса.

Сущность процессов переноса – стремление системы достичь равновесного состояния. Характеристикой

скорости процессов переноса является время релаксации – время, в течение которого система достигает

равновесного состояния (время термолизации- время, за которое система возвращается к распределению

Максвелла).

Мы будем рассматривать явления переноса только при малых отклонениях системы от равновесного

состояния. Явления переноса можно классифицировать следующим образом:

а) внутреннее трение или вязкость - перенос импульса;

б) теплопроводность - перенос кинетической энергии (тепла);

в) диффузия - перенос массы.

Вообще говоря, явления переноса объединяют более широкий класс процессов. К ним также относится,

например, перенос электрического заряда под действием внешнего электрического поля, называемый

электропроводностью. Однако электропроводность, как и некоторые другие явления переноса, составляют тему

отдельного обсуждения, которое будет проведено в следующем разделе курса.

Целью нашего рассмотрения является получение уравнений, описывающих протекание процессов в

статистически неравновесных системах, состоящих из нейтральных атомов или молекул. При решении этих

задач физическая кинетика исходит из представлений о молекулярном строении рассматриваемых сред и

характере взаимодействия между частицами. Введем основные понятия, необходимые для количественного

описания рассматриваемых явлений.

ФИКА ЗАКОН

Первый Ф. з. устанавливает пропорциональность диффузионного потока j в идеальных растворах градиенту концентрации? c: j =-D? c (D — коэфф. диффузии). Второй Ф. з. получается из первого и ур-ния непрерывности:

где t — время, х, у, z — пространств.координаты. Если D = const, то второй Ф. з. имеет вид

дc/дt=D? c

и наз. ур-нием диффузии. Открыты нем. учёным А. Фиком (A.Fick) в 1855.

 

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться: