Министерство образования и науки Украины
Реферат
По теме
«Технологические исследования процесса массопереноса-диффузии»
Содержание
1. Введение
2.Сущность понятия диффузия
3.Классификация методов экспериментального исследования
4. Феноменологическая теория дифузии
5. Безградиентные методы
6. Безактивационная теория
7. Термодинамическая сторона диффузии
8.Список изпользуемой литературы
Введение
С процессом массопереноса - диффузией приходится сталкиваться постоянно в явной или неявной форме в своей повседневной жизни, практической деятельности, научных и технологических исследованиях. Диффузионные процессы — явления достаточно широко распространенные. При анализе массопереноса, следует помнить, что он имеет четыре стороны, в совокупности своей отражающие суть явления. Одновременно каждая из сторон этого «четырехугольника» имеет некоторую самостоятельность и развивается по определенным направлениям независимо от других.
Прежде всего, это внешнее, макроскопическое проявление процесса диффузии. Внешнее, экспериментально наблюдаемое проявление диффузионного процесса связано с изменением в единице пространства количества диффундирующих частиц, т. е. их концентрации. Очевидно, что эта сторона явления связана с экспериментальными исследованиями, технологическим контролем процесса. Разработанные для этого различные методы наблюдения позволяют получать информацию о кинетике перераспределения вещества либо по измерению потока, проникающего сквозь мембрану, либо по количеству днффузанта, поглощенного или выделившегсся из образца (материала), либо по изменению концентрации в той или иной точке диффузионной зоны или образца, либо, наконец, по распределению компонентов в диффузионной зоне, т. е. той области системы, в пределах которой происходит перераспределение диффузионных компонентов пары.
Также есть и немного другие явления дифузии, а именно само- и взаимодиффузии.
Взаимодиффузия характеризует процесс взаимообмена массы между телами, когда имеет место неоднородность в распределении концентрации. Характерной особенностью взаимодиффузии является направленность в перемещении диффундирующих частиц в пространстве, чего нет в случае самодиффузии. Там движение носит хаотический, броуновский характер.
Самодиффузия отражает тепловое движение молекул либо среди себе подобных, либо в растворах постоянной концентрации. В этом случае молекулы каждого из компонентов раствора движутся со своей тепловой скоростью, а это движение с количественной точки зрения характеризуется парциальным коэффициентом самодиффузии. Естественно, что и методы исследования этих типов диффузионных явлений различны.
Сущность понятия диффузия
По определению: под диффузией следует понимать самопроизвольный процесс перераспределения веществ в пространстве, обусловленный тепловым движением частиц (атомов, молекул, сегментов, макромолекул).
Стоит упомянуть, что в центре внимания подавляющего числа работ, связанных с изучением диффузии, всегда находится характеристическая величина процесса — коэффициент диффузии. Во всех количественных исследованиях делается попытка экспериментально определить величину коэффициента диффузии и установить его зависимость от различных параметров. Решить эту задачу на основании результатов экспериментального наблюдения за внешним проявлением процесса и позволяет феноменологическая сторона «четырехугольника». В ее основе лежат законы диффузии, связывающие между собой в аналитической форме плотность потока вещества, проходящего в единицу времени через единицу сечения образца, с перепадом концентрации (градиентом концентрации) и коэффициентом диффузии; скорость изменения концентрации в заданной точке диффузионной зоны с градиентом плотности потока вещества.
Классификация методов экспериментального исследования
Приведенная классификация методов экспериментального исследования является наиболее общей, поскольку базируется на параметрах диффузионного процесса. Но в каждой группе материалов в зависимости от их физико-химических свойств эти методы имеют, естественно, разное физическое и конструктивное оформление. Например, для металлов, стекол, керамики и минералов традиционным методом получения информации о концентрационном профиле в диффузионной зоне является метод электронно-зондового рентгеноспектрального микроанализа в сочетании с методикой поперечных срезов. Тот же метод используется и при изучении систем полимер — полимер, но поскольку термическая и радиационная стабильности полимеров невысоки, возможно использование лишь микроанализаторов с энергетической дисперсией. Для систем полимер — олигомер, полимер — растворитель и жидкость — жидкость этот метод вообще неприменим, и ту же информацию можно получить, используя методы оптической интерферометрии или сканирующей ИК-спектроскопии.
Эта экспериментально-методическая сторона явления неразрывно связана с другой стороной «четырехугольника», которую можно обозначить как «феноменологическая теория диффузии». Если при экспериментальных измерениях инструментом в руках исследователя - являются чаще всего физические методы, то в феноменологической теории таким инструментом является аппарат математической физики. С его помощью получены аналитические уравнения, связывающие изменение тех или иных внешних параметров, регистрируемых в опыте, с координатой диффузии, временем, коэффициентом диффузии, размерами образца. Поскольку, как правило, неизвестной величиной в этих уравнениях является коэффициент диффузии, то обработка экспериментальных данных с их помощью позволяет получать количественную информацию о его величине, устанавливать соответствие принятой математической модели реальному процессу.
Эти стороны так тесно связаны между собой, что естествен вопрос, в чем же проявляется их самостоятельность и независимость. Экспериментальный аспект связан с разработкой, выбором и совершенствованием методов измерения, позволяющих фиксировать интересующий параметр процесса с большой точностью, обладающих высокой селективностью и разрешением. Недостаточная точность измерения в настоящее время является преградой, например, при изучении диффузии в многокомпонентных системах, когда экспериментатору желательно получать информацию о парциальных потоках каждого из компонентов системы, а также при изучении диффузии через границу раздела двух контактирующих сред, когда наибольший интерес представляет информация о распределении концентрации по диффузионной зоне уже на начальных этапах образования адгезионного соединения.
Самостоятельность феноменологической стороны «четырехугольника» иная. Она связана главным образом с решением математических проблем, возникающих как при решении той или иной системы дифференциальных уравнений, отражающих большое многообразие реальных задач, так и при статистической обработке результатов измерений. Из сказанного ясно, что эта сторона «четырехугольника» имеет самый общий характер и с равным успехом может быть использована для любых систем. Специфика каждой системы заключается в абсолютной величине коэффициента диффузии, в характере его изменения с температурой, давлением, концентрацией.Тесная взаимосвязь этих двух сторон проявляется и в возможности априорного расчета математических моделей реальных технологических процессов, поскольку для этого необходимо создать систему аналитических уравнений и выбрать значения коэффициента диффузии.