Особенности протекания диффузии в различных средах (для молекулярной диффузии)

Наиболее быстро диффузия протекает в газах, несколько медленнее в жидкостях и еще медленнее в твердых телах. Это связано с характером теплового движения молекул. Когда речь идет о газах, то обычно подразумевают большинство технически важных газов (воздух, кислород, азот, диоксид углерода, аргон, гелий и др.) находящихся при таких параметрах, которые позволяют использовать для них уравнения состояния идеального газа Клапейрона-Менделеева.

pV=m R/M T

R_г =R/M; M=кг/К*моль

pv= R_г T; v-удельный объем

Это означает, что состояние этих газов описывается уравнением идеального газа. В термодинамике идеальным газом называется газ, молекулы которого имеют массу, но не имеют размеров (материальные точки) и между этими молекулами отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия. В таком газе молекулы находятся в хаотическом тепловом движении, основными параметрами которого являются длина и время свободного пробега между следующими друг за другом соударениями. Эксперимент показывает что диффузия конкретной молекулы в такой среде, т.е. ее смещение меняется со временем случайным образом, но средний квадрат этого смещения через большое число столкновений пропорционален времени L²~t.

В газах коэффициент диффузии обратно пропорционален давлению газа (т.к. уменьшается длина свободного пробега).

Для газов D~1/p

Коэффициент диффузии растет пропорционально корню квадратному из температуры и с увеличением молекулярной массы коэффициент диффузии уменьшается

D~√T

D↓ если M↑

Механизм протекания молекулярной диффузии в жидкостях отличается от газов. Газы не обладают не ближним не дальним порядком, т.е. молекула в них не находится не в какой устойчивой взаимосвязи. В жидкостях нет дальнего порядка, но есть ближний, что означает, что молекулы в жидкости объединяются с соседними молекулами в некоторое окружение, в котором эти молекулы находятся в относительно устойчивой взаимосвязи отрыв отдельной молекулы от этого сообщества требует определенной энергии активации. Молекулярная диффузия без такого отрыва невозможна, такой отрыв молекул от своего сообщества постоянно происходит. Молекула диффундирует и примыкает к другому окружению. Таким образом, диффузия в жидкостях происходит вследствие покидания молекулами своего окружения из-за теплового движения, когда колебания относительно некоторого положения равновесия заканчиваются ее отрывом.

В жидкостях коэффициент диффузии пропорционален температуре D~T, поскольку с ростом температуры увеличивается вероятность переноса молекул из одного окружения в другое. Обычно такой скачок не превышает межмолекулярного расстояния. С увеличением радиуса частицы коэффициент диффузии падает D↓ при r↑.

Влияние давления на D обычно не учитывается из-за малой сжимаемости. В твердом теле имеет место несколько механизмов молекулярной диффузии:

1. обмен местами атомов с вакансиями (незанятые места в крист.решетки).

2. перемещение атомов по междоузлиям

3. одновременное циклическое перемещение нескольких атомов

4. прямой обмен местами 2х соседних атомов

существуют и другие механизмы

В твердых телах коэффициент диффузии растет с температурой D↑ при T ↑

Причем зависимость очень сильная, имеет экспоненциальный вид. Кроме того, коэффициент диффузии очень сильно увеличивается при увеличении и количества дефектов кристаллической решетки.