Глава 5. Диффузия и проницаемость газа в металлах

Диффузия представляет собой процесс перемещения частиц /атомов, молекул, ионов, электронов/ в среде, при котором происходит выравнивание концентрации диффундирующего вещества. Диффузия газа в металлах всегда предшествует хемосорб- ция. так как газы в металле диффундируют только в виде атомов или ионов. Поэтому инертные газы, не адсорбирующиеся на металлах по типу хемосорбции, не диффундируют через металлы При наличии градиента концентрации (перепада концентрации) частиц в среде возникает их поток, выравнивающий концентрацию.

Для установившегося потока диффузии справедлив закон Фика:

q = -D*gradn (5.1)

где q-поток диффузии см³/см²*с

n- градиент концентрации, выражающейся как (с-концентрация,х-расстояние)

D-коэффициент диффузии, определяющий скорость процесса диффузии (см²/c)

Диффузия может иметь место практически в любых агрегатных состояниях вещества( газ-газ; газ-жидкость; жидкость-жидкость; тв- твердое тело; тв-тв и.т.д.)

При диффузии газов в твердых металлах может происходить процесс насыщения металлов соответствующими газами, образование химических соединений и т.д.

В зависипости от температуры коэффициент диффузии D изменяется экспоненциально:

D=D₀ exp(- ) (5.2)

где D₀ - энтропийный фактор, характеризующий систему металл-газ; зависит от строения кристаллическое решетки, межатомною расстояния и наличия дефэктов (диоло- каций и.т.д.). Это специфическая величина для каждой группы металл-газ;

Е_д- энергия активации процесса диффузии (потенциальный барьер, который нужно преодолеть атому газа, чтобы покинуть в металл), Дж/моль.

Из уравнения следует, что с повышением температуры растет и коэфицент диффузии. Общее выражение потока диффузии двух-атомного газа, учитывающее влияние внешних факторов, выглядят так:

q= ( - )*е^- (5.3)

q-колличество газа, продиффундировавшего через единицу площади в единицу времени, см³/см²*с;

Кд-постоянная диффузия;

L - постоянная диффузия;

а - постоянная, определяемая родом тза и металла;

P₁ и Р₂- парциальное давление газа /мм рт.ст. /

различных сторон образца;

X - то.лцина образца, см;

R- газовая постоянная; .

Т- температур К.

На. практике часто используют уравнение для расчета проницаемости газа через металл:

П= ( - )*е ^- (5.4)

где П -проницаемость газа через металл, см³/см²*с

Кп - константа проницаемости см³/см^2*с;

X - толщина образца , ом

Еп - энергия активации процесса проницаемости Дж/моль

R — газовая постоянная; =8,3143 Дж/моль*К

Т - температура/К;

P₁ - давление газа со стороны высокого давления, Па;

P₂ - давление газа со стороны низкого давления, Па.

В начальный период процесса P₂=0. Если процесс диффузии рассматривается как перемещение газа внутри металлическсго образца, то проницаемость понимается как прохождение газа через образец. Поскольку в последнем случае оказывает влияние состояние поверхности самого образца, то значения Кп и Еп обычно больше соответствующих значений Ед и Кд и в уравнении потока диффузии.

Контрольные вопросы

1. 1.Что представляет собой процесс диффузии?

2. Что должно предшествовать диффузии?

3. Почему инертные газы не диффундируют через металлы?

4. Каким уравнением описывается поток диффузии для установившегося процесса?

5. Что означает каэффициент диффузиии Д в уравнении Фика?

6. Как влияет температура на величину коэффициента фиффузии Д?

7. Что означают коэффициенты Ед и Кд в уравнении потока диффузии

q= ( - )*е^{- ?}

8. Как влияет температура на величину потока диффузии q?

9.Чем проницаемость газа через металлы отличается от диффузии?

10. Как влияет парциальное давление газа на поток диффузии?

11.Что означает градиент концентрации?

12. Как влкяет толщина образца на величину потока диффузии и проницаемость?

Пример расчёта проницаемости газа через металл

Задача

Рассчитать количество водорода, которое пройдет через медную пластну толщиной 2 см, площадью 5 см² при парциальном давлении водорода P₁=39996 Па, при температурах 0°С, 300°С, 500°С, 800°С за 2 минуты. Давление P₂ принять равным нулю.

Решение

1. Из раблицы 12 находим для системы медь-водород значения коэффициента проницаемости и энергии активации

Кп= 1,99*10^-5 ом²/ом²*с ; Еп=139002 Дк/моль .

2. Составляем рабочее уравнение для расчета проницаемости водорода через медный образец толщиной 0,2 ом, площадью 5 см² зa 2 минуты 120 секунд .

П= *е ^- =9,95*10^-5*199,98999 е ^{- *}600= 11,939402 е ^-

3. Проводим расчёт для заданных температур:

Т₁=273К; П₁=11,9394* е ^{- =}11,9394*е^-30,62=11,9394*5,03868*10^-14=6*10^-13см³;

Т₂=573К; П₂=11,9394* е ^{- =}11,9394*е^—14,588=11,9394*4,62*10^-7=5,5*10^-6см³;

Т₃=873К; П₃=11,9394* е ^{- =}11,9394*е^—9,574=11,9394*6,9*10^-5=8,3*10^-4см³;

Т₄=1073К; П₄=11,9394* е ^{- =}11,9394*4,137*10^—4=4,9*10^-3см³;

4. По данным расчёта составляем таблицу 5.1

Таблица 5.1

Температура,К	273	573	873	1073
Количество водорода, прошедшего за 2 мин через образец площадью 5 см2,см3	6*10-13	5,5*10-6	8,3*10-4	4,9*10-8

5.. Вывод: с повышением температуры при постоянном парциальное давлении водорода р₁ и при р₂=0 проницаемость водорода через образец из меди увеличивается.