Диффузионные процессы и использование их в технологиях

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

 

 ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

Инженерно-экономический  факультет 

 

 

Кафедра оборудования и  технологии сварочного производства

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

по дисциплине: «Теоретические основы прогрессивных технологий»

Тема: «Диффузионные процессы и использование их в технологиях»

 

 

Выполнил:

Руководитель:.

Оценка______________________________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Воронеж 2011

 

 

Содержание

 

 

Введение                                                                                                                   4

 

1 Понятие и закономерности  протекания диффузии                                           5

 

1.1 Понятие диффузионных процессов                                                                 7

 

1.2 Закономерности протекания диффузии                                                          8

 

2 Использование диффузионных процессов                                                       11

 

2.1 Массопередача                                                                                                 12

 

2.2 Процесс диффузионной или  холодной сварки                                             14

 

2.3 Применение диффузии в медицине                                                               16

 

2.4 Диффузия при обработке  металлов                                                               17

 

Заключение                                                                                                             19

 

Список использованной литературы                                                                   20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Диффузия – фундаментальное  явление природы. Оно лежит в  основе превращений вещества и энергии. Его проявления имеют место на всех уровнях организации природных систем на нашей планете, начиная с уровня элементарных частиц, атомов и молекул, и заканчивая геосферой. Оно широко используется в технике, в повседневной жизни.

Сущность диффузии – движение частиц среды, приводящее к переносу веществ и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения частиц данного вида в среде. Диффузия молекул и атомов обусловлена их тепловым движением.

Процесс диффузии представляет собой один из механизмов проявления II закона термодинамики, согласно которому любая система стремится перейти в более равновесное состояние, то есть устойчивое состояние, характеризующееся возрастанием энтропии и минимума энергии.

Диффузия является фундаментальным процессом, лежащим в основе функционирования живых систем любого уровня организации, начиная с уровня элементарных частиц (электронная диффузия) и заканчивая биосферным уровнем (круговоротом веществ в биосфере).

        Цель  данной   курсовой работы   состоит в    том  чтобы ознакомиться   с понятием диффузии и диффузионных процессов, проанализировать использование ее в производстве, техники, медицине.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Понятие и  закономерности протекания диффузии

 

Диффузия (лат. diffusio —  распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией (против градиента концентрации). Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: если один конец стержня нагреть или электрически зарядить, распространяется тепло (или соответственно электрический ток) от горячей (заряженной) части к холодной (незаряженной) части. В случае металлического стержня тепловая диффузия развивается быстро, а ток протекает почти мгновенно. Если стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно, а диффузия электрически заряженных частиц — очень медленно. Диффузия молекул протекает в общем 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 (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микрометров 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 (в случае относительно небольших величин этих параметров). 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 (ЭЛТ) применяется металлический торий, продиффундировавший через металлический вольфрам при 2000 °C.

Обратим внимание на  закономерности   протекания  явления. Разница концентрации является движущей силой диффузии. Если концентрация всюду одинакова, диффузный перенос  вещества отсутствует. Выравнивание концентрации в результате диффузии происходит только в отсутствие внешних сил. Если разница концентраций существует наряду с разницей температур, в электрическом поле или в условиях, когда существенна сила тяжести (при большой разнице высот), выравнивание концентрации необязательно. Примером может служить уменьшение плотности воздуха с высотой. Обратимся к опыту. В двух стаканах налита вода, но в одном холодная, а в другом – горячая. Опустим одновременно в стаканы пакетики с чаем. Нетрудно заметить, что в горячей воде чай быстрее окрашивает воду, диффузия протекает быстрее. Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.

Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в  жидкостях и медленнее всего в твёрдых телах. Дело в том, что в газах и жидкостях основной вид теплового движения частиц приводит к их перемешиванию, а в твердых телах, в кристаллах, где атомы совершают малые колебания около положения узла решётки, нет.

 

1. Понятие диффузионных процессов

 

Диффузионные процессы, процессы, протекающие при перемещении  мельчайших частиц вещества (атомов, ионов, молекул) или их комплексов вследствие стремления к равновесному распределению  концентрации мигрирующих частиц в данном объёме. При диффузионном процессе возможен обмен частицами между веществами, находящимися в различных агрегатных состояниях, т. е. возможны явления адсорбции и десорбции, растворение и кристаллизация, сушка и т.п. Диффузионные процессы лежат в основе таких технологических операций, как спекание порошков (например, в порошковой металлургии), термическая обработка металлов и химико-термическая обработка металлов (цементация, азотирование и т.п.), гомогенизация сплавов, диффузионная металлизация и т.д.

Значение диффузионных процессов. Диффузия играет важную роль в различных областях науки и техники, в процессах, происходящих в живой и неживой природе. Диффузия оказывает влияние на протекание или определяет механизм и кинетику хим. реакций (см., напр., Диффузионных пламен метод, Макрокинетика), а также мн. физ.-хим. процессов и явлений: мембранных, испарения, конденсации, кристаллизации, растворения, набухания, горения, каталитических, хроматографических, люминесцентных, электрических  и оптических в полупроводниках, замедления нейтронов в ядерных реакторах и т. д. Большое значение имеет диффузия при образовании на границах фаз двойного электрического слоя, диффузиофорезе (см. Электроповерхностные явления) и элекрофорезе (см. Электрокинетические явления), в электрохим. методах анализа и процессах (см., напр., Диффузионный потенциал, Диффузионный ток), в фотографич. процессах для быстрого получения позитивного изображения и др. Диффузия служит основой мн. распространенных техн. операций: спекания порошков, химико-термич. обработки металлов (напр., азотирования и цементации сталей), гомогенизации сплавов, металлизации и сварки материалов, дубления кожи и меха, крашения волокон; перемещения газов с помощью т. наз. диффузионных насосов. Диффузия - одна из стадий многочисл. химико-технол. процессов (напр., массообменных); представления о диффузионном переносе в-ва используют при моделировании структуры потоков в хим. реакторах и др. Роль диффузии существенно возросла в связи с необходимостью создания материалов с заранее заданными св-вами для развивающихся областей техники (ядерной энергетики, космонавтики, радиационных и плазмохим. процессов и т. п.). Знание законов, управляющих диффузией, позволяет предупреждать нежелательные изменения в изделиях, происходящие под влиянием высоких нагрузок и т-р, облучения и т. д. Закономерностям диффузии подчиняются процессы физ.-хим. эмиграции элементов в земных недрах и во Вселенной, а также процессы жизнедеятельности клеток и тканей растений (напр., поглощение корневыми клетками N, Р, К - осн. элементов минер. питания) и живых организмов.

 

1.2 Закономерности  протекания диффузии

 

Рассмотрим законы Фика:

I закон Фика. Количество вещества , продиффундировавшего через определенное данное сечение, прямо пропорционально площади сечения, градиенту концентрации и времени(рис.1.):

,

где - коэффициент диффузии, - площадь сечения, - градиент концентрации (величина отрицательная)

Рис.1. I закон Фика ( графически)

 

Первый закон применим только для расчетов стационарных процессов  диффузии, т.е. таких, в которых на отдельных границах слоя, через который идет диффузия, поддерживается постоянная концентрация. С некоторым допущением в качестве примера стационарного потока можно привести растворение твердого тела в жидкости при ее интенсивном перемешивании.

Для расчета нестационарных процессов диффузии применяется II закон Фика. В данном случае нельзя пренебрегать накоплением вещества в диффузионном слое.

Для каждого сечения х и в этом случае справедлив I закон Фика (рис.2):

,

,

;

разлагая 

в ряд Тейлора, имеем

откуда

.

Рис.2. II закона Фика(графически)

С другой стороны, количество вещества, задерживающееся в слое

,

т.к. и .

Сопоставление двух последних  уравнений приводит к зависимости  которая носит название II закона Фика:

.

Обычно решение этого  уравнения для известных граничных  условий дает зависимость  , из которой при данном  х получим , а при данном - . Из последнего соотношения можно найти , а затем по закону - количество вещества, диффундирующее через слой за время .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Использование диффузионных  процессов

 

В настоящее время общепризнанно существование на поверхности частиц твердой фазы (кусочков сырья) пристенного слоя экстрагента, называемого диффузионным  пограничным  слоем.  Вещества,  вынесенные на поверхность кусочков, проникают в диффузионный пограничный слой, полностью подчиняясь закону свободной молекулярной диффузии. Толщина диффузионного слоя зависит от гидродинамики процесса и в основном от скорости перемещения экстрагента. Если экстрагент и сырье находятся в состоянии относительного покоя, то диффузионный слой равняется толщине всего слоя неподвижной жидкости. Очевидно, что массоперенос в этом случае во всей толщине экстрагента будет осуществляться только молекулярной диффузией.

Уже при небольших скоростях  перемещения экстрагента относительно твердой фазы пограничный диффузионный слой уменьшается, приобретая какую-то определенную величину. Наступает третья, конечная, стадия экстракции, когда вещества, поступившие в диффузионный слой, переносятся в центр потока конвективной диффузией.