第7章-基本动力学过程-扩散.ppt

《第7章-基本动力学过程-扩散.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、7基本动力学过程—扩散此章以前是本书的重点，此章以后是本书的难点！重点内容：1、固体中质点扩散的特点和扩散动力学方程：扩散第一、第二定律、扩散方程的求解；2、扩散驱动力及扩散机制：间隙扩散、置换扩散、空位扩散；3、扩散系数、扩散激活能、影响扩散的因素。（1）扩散的概念：指当物质内有梯度（化学位、浓度、应力梯度等）存在时，由于热运动而导致的质点定向迁移。7.1概述扩散的推动力：化学位梯度。water加入染料time部分混合完全混合（2）物质聚集状态与传质方式比较：固体：扩散是传质的唯一方式。按浓度均匀程度分：互扩散：有浓度差的空间扩散自扩散：没有浓度差的扩散（3）扩散

2、的分类按扩散方向分：顺扩散：由高浓度区向低浓度区的扩散逆扩散：由低浓度区向高浓度区的扩散异种粒子存在时，造成浓度差下坡扩散上坡扩散按原子的扩散途径分：体扩散：在晶粒内部进行的扩散表面扩散：在表面进行的扩散晶界扩散：沿晶界进行的扩散短路扩散此外，还有沿位错线的扩散，沿层错面的扩散等。7.2扩散动力学方程——菲克定律菲克认为：流体和固体质点的迁移在微观上不同，但从宏观连续介质的角度看，遵守相同的统计规律，即在连续介质构成的扩散体系中扩散质的浓度C一般是空间r(x,y,z)和时间t的函数。目标：建立流量与驱动力的关系；建立成分、位置、时间的关系一、基本概念（1）扩散通量—

3、—单位时间内通过单位横截面的粒子数。用J表示，为矢量（因为扩散流具有方向性）量纲：粒子数/（时间.长度2）单位：g/(cm2·s)或mol/(cm2·s)稳定扩散稳定扩散是指在垂直扩散方向的任一平面上，单位时间内通过该平面单位面积的粒子数一定，即任一点的浓度不随时间而变化。（2）稳定扩散和不稳定扩散不稳定扩散不稳定扩散是指扩散物质在扩散介质中浓度随时间发生变化。扩散通量与位置有关。即：J=const二、菲克第一定律（1）第一定律宏观表达式模型：假设有一单相固溶体，横截面积为A，浓度C不均匀，在Δt时间内，沿x轴方向通过x处截面所迁移的物质的量Δm与x处的浓度梯度ΔC

4、/Δx成正比：C＝C2C2＞C1C＝C1x浓度CC2原始状态最终状态经扩散后距离x扩散过程中溶质原子的分布截面积A1858年，菲克（Fick）参照了傅里叶（Fourier）于1822年建立的导热方程，获得了描述物质从高浓度区向低浓度区迁移的定量公式。“-”号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散由高浓度向低浓度区进行。菲克第一定律J─称为扩散通量，常用单位是g/(cm2·s)或mol/(cm2·s)；单位时间内通过垂直于x轴的单位面积的原子数量─是同一时刻沿X轴的浓度梯度；D─比例系数，称为扩散系数，表示单位浓度梯度下的扩散通量,量纲为L2T-1。负号─表示扩散方向

5、与浓度梯度方向相反；注意：菲克第一定律是质点扩散定量描述的基本方程。它描述了浓度分布随位置变化的关系。局限性：质点浓度分布随时间变化没有得到体现。但它是不稳定扩散（质点浓度分布随时间变化）动力学方程建立的基础。扩散第一定律适用于扩散系统的任何位置，而且适用于扩散的任何时刻。(适用稳态、非稳态扩散)注意：浓度梯度一定时，扩散仅取决于扩散系数，扩散系数是描述原子扩散能力的基本物理量，并非常数，而是与很多因素有关，但与浓度梯度无关。当浓度梯度等于0时，表明在浓度均匀的系统中，尽管原子的微观运动仍在进行，但不会产生宏观的扩散现象，但仅适合于下坡扩散的情况。如果三维方向扩散，

6、则注：对于各向同性的固体材料如金属、陶瓷等多晶材料，扩散系数D常为与方向无关的标量。：梯度算符但在一些存在各向异性的单晶材料中，扩散系数D的变化取决于晶体结构的对称性。三、菲克第二定律非稳态扩散：扩散物质在扩散介质中浓度随时间发生变化，扩散通量随位置变化。稳态扩散：空间任意一点浓度不随时间变化（），扩散通量不随位置变化（）。当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改变时，利用式（1）不容易求出。但通常的扩散过程大都是非稳态扩散。为便于求解，还要从物质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式。菲克第二定律的讨论前提：系统无源，满足质量守恒；散度不等于0，某组元浓度在局部有所

7、增加或减少。流入体积元≠流出体积元如图所示，在扩散方向上取体积元　　和分别表示流入体积元及从体积元流出的扩散通量，则在Δt时间内，体积元中扩散物质的积累量为（1）  一维扩散如果扩散系数D与浓度无关菲克第二定律的一维表达式。三维的菲克第二定律形式：菲克第二定律主要适于不稳定扩散。从形式上看，菲克第二定律表示，在扩散过程中某点浓度随时间的变化率与浓度分布曲线在该点的二阶导数成正比。Fick第一、第二定律均表明，扩散使得体系均匀化，平衡化。在扩散系统中，若对于任一体积元，在任一时刻注入的物质量与流出的物质量相等，即任一点的浓度不随时间而变化，即：涉及扩散的实际问题有