擴(kuò)散與固體相變教學(xué)課件

擴(kuò)散現(xiàn)象擴(kuò)散現(xiàn)象:在房間的某處打開一瓶香水,慢慢在其他地方可以聞到香味,在清水中滴入一滴墨水,在靜止的狀態(tài)下可以看到他慢慢的擴(kuò)散。擴(kuò)散:由構(gòu)成物質(zhì)的微粒(離子、原子、分子)的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的物質(zhì)遷移現(xiàn)象稱為擴(kuò)散。擴(kuò)散的宏觀表現(xiàn)是物質(zhì)的定向輸送。第一節(jié)擴(kuò)散定律擴(kuò)散第一定律擴(kuò)散第二定律擴(kuò)散定律的應(yīng)用擴(kuò)散第一定律菲克(AFick)在1855年總結(jié)出的:在穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散的情況下(也就是材料內(nèi)部各處的濃度不隨時(shí)間而變即dc/dt=0),單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向單位截面的物質(zhì)流量(稱為擴(kuò)散通量J),與該處的濃度梯度成正比。do7=-D-Unitarea菲克(A.Fick)第一定律(1)第一定律描述:單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于擴(kuò)散方向的某一單位面積截面的擴(kuò)散物質(zhì)流量〔擴(kuò)散通量)與濃度梯度成正比。OIoOoIoOOOIOOOIOOoOOOIOOOIOOoOOOIoooIooo濃度梯度Lco△x-菲克(A.Fick)第一定律(2)表達(dá)式:J=D(dc/dx)。(C-溶質(zhì)原子濃度;D-擴(kuò)散系數(shù)。)(3)適用條件:穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散·dc/dt=0,濃度及濃度梯度不隨時(shí)間改變。SoluteatomflowsUnitareaNetnlowofatomsperunit溶質(zhì)原子流動(dòng)方向與濃度梯度的關(guān)系溶質(zhì)原子在濃度梯度中的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散示意圖原子熱運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散系數(shù)的關(guān)系如果在相鄰兩個(gè)原子面I和Ⅱ之間發(fā)生物質(zhì)遷移,假設(shè)1.擴(kuò)散原子跳到相鄰位置的頻率為I;TⅡ2.任何一次擴(kuò)散原子跳動(dòng)使其從晶面I躍遷到晶面Ⅱ的幾率為p;3.晶面I和Ⅱ上的擴(kuò)散原子面密度為和n2。原子面間距為則在時(shí)間間隔61內(nèi)單位面積上由晶面Ⅰ躍遷到晶面Ⅱ及由晶面Ⅱ躍遷到晶面I上的擴(kuò)散原子數(shù)依次為I→Ⅱ=n1pI,Nm→I=n2pIt如果n1>n2,則單位面積的晶面Ⅱ所的擴(kuò)散原子的凈值為:N1→m-Nn→1=(n1n2)pⅠδ=J6,J=(n1n2)p(式中J為擴(kuò)散通量如果擴(kuò)散原子的體積濃度為c,面密度為n,則:c=n/晶面Ⅱ處的體積濃度c2與晶面I處的體積濃度c1的關(guān)系為tealonflowC=c+addax因此n2n1=a2oc/OxAIJ=(n,)pr=-a2prac/ax=-Dac/ax于是:D=a2pI如果原子在各個(gè)方向的擴(kuò)散幾率相同,則p=1/6,D=a2r/6。擴(kuò)散第一方程可直接用于描述穩(wěn)定擴(kuò)散過(guò)程。下面用氧通過(guò)金屬薄壁的擴(kuò)散過(guò)程來(lái)說(shuō)明擴(kuò)散第一方程的解法。如圖7-3所示,一個(gè)內(nèi)外徑分別為和r的球罐中儲(chǔ)存有高壓氧氣,罐內(nèi)氣壓為p1,罐外大氣中氧分壓為p2°圖73高壓球示意圖由于氧氣泄漏非常緩慢,所以假設(shè)p1不隨時(shí)間變化,達(dá)到穩(wěn)態(tài)后氧氣將以一恒定速率泄漏。由菲克第一定律,氧氣在球罐壁內(nèi)的擴(kuò)散通量為則,通過(guò)整個(gè)球罐壁單位時(shí)間泄漏的氧氣量為--1對(duì)上式積分,有已4m2)x1r2其中,c1和c分別為氧分子在球罐內(nèi)、外壁的溶解度雙原子分子氣體在固體中的溶解度通常與壓力的平方根成正比,因此,單位時(shí)間內(nèi)氧氣泄漏量為P一10xP擴(kuò)散第二定律菲克第一定