Определение свойств молекулярной диффузии газообразных масс.Определение коэффициента молекулярной диффузии

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Челябинский Государственный  Университет»

Факультет экологии

Кафедра геоэкологии и  природопользования

 

 

 

 

Реферат

Определение свойств  молекулярной диффузии газообразных масс

Определение коэффициента молекулярной диффузии

 

 

 

                                                             Исполнитель: Везенкина Инна Игоревна

                                                                                        студентка  группы ЭЭ-102

                                                              Научный руководитель: Васильев О.В.

 

 

 

 

 

 

 

Челябинск 2012

Оглавление

1. Введение……………………………………………….……………3 ст.
2. Основная часть………………………………..….…………….4-17 ст.

1. Понятие диффузия………………………………………… …….………4-6 ст.

1. Диффузия в газах, жидкостях и твердых телах
2. Скорость протекания диффузии

2. Диффузия газообразных  масс………………………………...………….7-8 ст.

3. Коэффициент диффузии……………………………………………...…9-11ст.

1. Определение коэффициента молекулярной диффузии

4. Закон Фика. Уравнение  Фика………………………………………....12-17 ст.

3. Заключение…………………………………………………..……18 ст.
4. Библиография………...………………………………………..…19 ст.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Изучение  свойств веществ является неотъемлемой частью исследований строения материи. Наверное, каждый хоть раз задумывался  о том, почему и из-за чего существует жизнь на планете, почему состав воздуха имеет  определенное соотношение газов, почему сахар растворяется в воде, почему распространяется запах духов в комнате и почему вообще вещества взаимодействуют и как это явление можно назвать. Изучением этих вопросов  ученые занимались долгие годы. В дальнейшем эти явления получили название диффузия. Большой вклад в изучении этого явления внесли такие ученые как Альберт Эйнштейн, Джордж  Дальтон, изучающий диффузию в газах, В. Нернст, установивший связь между подвижностью ионов и коэффициентом диффузии электролитов, заложив основы теории диффузии, Адольф Фик - немецкий физиолог, установивший законы диффузии в 1855году. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Понятие диффузия

  Диффузия- это процесс взаимного проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, приводящий к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему занимаемому объёму.

Взаимное  перемещение есть следствие беспорядочных блужданий атомов или молекул или других частиц. Оно реализуется благодаря тепловому движению частиц. Движение частиц при диффузии совершено случайно: протяженность очередного смешивания частиц произвольна, все  направления смещение равновероятны. Вероятность смещения частиц при диффузии изучали А. Эйнштейн в  1905 г. и М. Смолуховский.  Они сделали вывод, что диффузионный путь пропорционален корню квадратному из времени диффузии. Возникающий при диффузии перенос вещества и проводит к самопроизвольному выравнивания концентрации различных веществ. Атомы (или молекулы) сорта А перемещаются туда, где и где больше атомов другого сорта В, и наоборот. В результате происходит диффузионное перемешивание газов, жидкостях и твёрдых телах.

Причины диффузии:

Разница концентрации является движущей силой диффузии. Если концентрация всюду одинаковая, диффузионный  перенос вещества отсутствует. Частицы двигаются, блуждают, но перемешивание не происходит.

• Если выравнивается концентрация собственных частиц то это – самодиффузия.
• Под действием внешнего электрического поля происходит диффузия заряженных частиц – электродиффузия.
• Действие поля тяжести или давления  вызывает бародиффузию.
• В неравномерно нагретой среде возникает термодиффузия.
• В движущейся среде может возникать конвективная диффузия.
• При вихревом движении газа или жидкости — турбулентная диффузия. 

В некоторых ситуациях  одно из веществ уже имеет выровненную  концентрацию, и говорят о диффузии одного вещества в другом. При этом перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Примером диффузии может служить перемешивание газов (например, распространение запахов) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Диффундировать могут как частицы посторонних веществ (примесей), неравномерно распределённых в какой-либо среде, так и частицы самого вещества среды.

 

Диффузия в газах, жидкостях  и твердых телах

 

Диффузия имеет место  в газах, жидкостях и твердых телах, но с разной скоростью.

• Наиболее быстро диффузия происходит в газах, так как частицы газа далеко удалены друг от друга. Между ними существуют большие промежутки, сквозь эти промежутки легко перемещаются частицы другого газа.
• В жидкостях промежутки между частицами невелики, сквозь них частицы другой жидкости проникают, но перемешивание жидкостей происходит медленно, вот почему диффузия в жидкостях происходит медленнее.            
• Диффузия в твёрдых телах происходит ещё медленнее, так как расстояния между частицами совсем маленькие. Они такие же, как размеры самих частиц и даже меньше. Это обусловлено характером движения частиц в этих средах.

 

Скорость протекания диффузии

 

Скорость протекания диффузии зависит  от многих факторов. Так, в случае металлического стержня тепловая диффузия проходит очень быстро. Если же стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно. Диффузия молекул в общем случае протекает ещё медленнее: например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микронов только через несколько тысяч лет.

Все виды диффузии подчиняются одинаковым законам:

• Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов.

 Так, тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень диаметром в два сантиметра, чем через стержень диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C.

• Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал.

В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов — электропроводность.

• Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени, и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени диффузии.

Диффузия представляет собой процесс  на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных  молекул. Скорость диффузии в связи  с этим пропорциональна средней  скорости молекул. В случае газов  средняя скорость малых молекул  больше, а именно она обратно пропорциональна  квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры.

Диффузионные процессы в твёрдых  телах при высоких температурах часто находят практическое применение. Например, в определённых типах электронно-лучевых  трубок применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C. Если в смеси газов масса одной молекулы в четыре раза больше другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В качестве примера можно привести разделение изотопов. Если газ, содержащий два изотопа, пропускать через пористую мембрану, более лёгкие изотопы проникают через мембрану быстрее, чем тяжёлые. Для лучшего разделения процесс производится в несколько этапов. Этот процесс широко применялся для разделения изотопов урана (отделение ²³⁵U от основной массы ²³⁸U). Поскольку такой способ разделения требует больших энергетических затрат, были развиты другие, более экономичные способы разделения. Например, широко развито применение термодиффузии в газовой среде. Газ, содержащий смесь изотопов, помещается в камеру, в которой поддерживается пространственный перепад (градиент) температур. При этом тяжёлые изотопы со временем концентрируются в холодной области.  

 

 

 

 

 

 

 

Диффузия в газообразных массах

Исследование процесса диффузии в  газах было начато в 1829 году. К настоящему времени был накоплен определённый экспериментальный материал и созданы кинетические теории диффузии в разреженных газах, неплохо описывающие этот процесс и позволяющие рассчитать коэффициенты диффузии газов. Несколько по-иному обстоит дело с исследованием диффузии в плотных и умеренно-плотных газовых системах. К настоящему времени для этих газовых систем получены весьма ограниченные, зачастую противоречивые экспериментальные данные. Не существует и надежного метода или соответствующей теории для расчёта коэффициентов взаимной диффузии в плотных газах, хотя коэффициенты взаимной диффузии широко используются для расчетов процессов горения, в химической кинематике, входят во многие безразмерные критерии тепло- и массопереноса. Результаты исследования диффузии находят практическое применение в теоретических расчётах в химической технологии. Распространение газов в любом объеме обусловлено тем, что молекулы газа находятся в непрерывном движении. Если привести в соприкосновение два газа, то постепенно они перемешаются, и состав газовой смеси выравнивается.. Это свойство газов чрезвычайно важно в нашей жизни. Представим себе на минуту, что было бы, если бы газы не смешивались между собой. Состав воздуха на планете был бы переменным. Воздух, как известно, состоит примерно из 75 кислорода и 4/5 азота. При отсутствии диффузии в одной местности земного шара был бы избыток кислорода, а в другой недостаток. В самых нижних слоях атмосферы преобладало бы содержание углекислого газа, выделяющегося при многочисленных процессах производства, людьми при дыхании и растениями в процессе роста. Образовались бы целые долины, заполненные тяжелыми газами, в которых невозможна была бы никакая жизнь. Чем больше добывалось бы и сжигалось угля, нефти, торфа, тем большие пространства были бы заполнены мертвым газом — углекислотой.

Диффузия в газах  возникает и в том случае, если они неоднородны по концентрации или плотности (самодиффузия). Для количественного описания этого явления используют понятие диффузионного потока. Диффузионный поток можно выразить через массу переносимого вещества или через число молекул (или молей) переносимого вещества.

Диффузионный поток как поток массы определяется массой вещества, перенесённого через площадку, перпендикулярную направлению переноса, в единицу времени.

Часто используют понятие плотности диффузионного  потока. 

Плотность диффузионного  потока определяется массой вещества, перенесённого через единичную площадку, перпендикулярную направлению переноса, в единицу времени.

Диффузионный поток как поток частиц определяется числом частиц вещества, перенесённого через площадку, перпендикулярную направлению переноса, в единицу времени.

Плотность диффузионного потока определяется числом частиц вещества, перенесённого через единичную площадку, перпендикулярную направлению переноса, в единицу времени.

В газах диффузия  определяется средней длиной свободного пробега   молекул, которая значительно больше среднего  расстояния между ними. Коэффициент диффузии для газа   , где  - средняя скорость теплового движения частиц. Коэффициент диффузии обратно пропорционален давлению газа (т. е. ) и пропорционален  (т. к. ). Более детальные расчёты коэффициента в газах даёт решение кинетического уравнения Больцмана для неоднородного состояния газовой смеси при заданных градиентах концентраций для специальных  моделей межмолекулярных сил Чепмена - Энскога методом. В бинарной смеси газов, молекулы которых взаимодействуют как твёрдые сферы с диаметрами   , коэффициент диффузии равен

где 

 - средний диаметр частиц; т' -- приведённая масса:   , где m₁ и m₂ - массы частиц. 

Для диффузии лёгкого газа в тяжёлом   <v/ s_тр> , где и -скорость лёгких атомов,  -транспортное сечение столкновения,   - угол между траекториями частиц,  -дифференцированное эффективное сечение. Усреднение   ведётся по распределению Максвелла лёгких частиц. Для диффузии тяжёлого газа в лёгком

Таким образом, коэффициент диффузии связан с транспортным эффективным сечением. Для газа заряженных  частиц, например носителей заряда в полупроводниках, необходимо учитывать влияние объёмного заряда и связанного с ним электрического  поля и свойства квазинейтральности.

Коэффициент диффузии

Коэффициент диффузии численно равен плотности диффузионного потока при единичном градиенте концентрации (плотности) и СИ измеряется в. В системе СГС используют единицу измерения 1 Стокс = .