Диффузионные процессы и их использование в технологиях

Содержание 
 
Введение  
1. Понятие и закономерности протекания диффузии  
1.1 Понятие диффузионных процессов ……………………………………….. 5 
1.2 Закономерности протекания диффузии ……………………………………6 
2. Использование диффузионных процессов  
2.1 Диффузия при обработке металлов …………………………………………8 
2.2 Плазмолиз…………………………………………………………………… 11 
2.3 Осмос…………………………………………………………………………11 
3. Применение диффузии на производстве…………………………………... 13 
4. Применение диффузии в медицине. Аппарат « искусственная почка»…..15 
5. Применение диффузии в технике…………………………………………...16 
Заключение  
Список использованной литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Тема  моей курсовой работы звучит так: «Диффузионные процессы и их использование в технологиях» .                                                                                      

      Диффузия – фундаментальное явление природы. Оно лежит в основе превращений вещества и энергии. Его проявления имеют место на всех уровнях организации природных систем на нашей планете, начиная с уровня элементарных частиц, атомов и молекул, и заканчивая геосферой. Оно широко используется в технике, в повседневной жизни.  
           Сущность диффузии – движение частиц среды, приводящее к переносу веществ и выравниванию концентраций или к установлению равновесного распределения частиц данного вида в среде. Диффузия молекул и атомов обусловленным их тепловым движением.                    .               
         Процесс диффузии представляет собой один из механизмов проявления       II закона термодинамики, согласно которому любая система стремится перейти в более равновесное состояние, то есть устойчивое состояние, характеризующееся возрастанием энтропии и минимума энергии.  
Диффузия является одним из важнейших технологических процессов при изготовлении любых видов электронных приборов и микросхем.

     Диффузия  является фундаментальным процессом, лежащим в основе функционирования живых систем любого уровня организации, начиная с уровня элементарных частиц (электронная диффузия) и заканчивая биосферным уровнем (круговоротом веществ в биосфере).

        Явление диффузии широко используется и на практике. В повседневной жизни – заварка чая, консервирование овощей, изготовление варений. В производстве – цементация (…стальных деталей, для повышения их твердости и жаростойкости) процессы алитирования и оксидирования.

 Цель  данной   курсовой работы   состоит в    том  чтобы ознакомиться   с понятием диффузии и диффузионных процессов, проанализировать использование ее в производстве, техники, медицине. С учетом специфики  данной  темы  и круга затронутых вопросов структура работы позволяет последовательно ответить в первой  части на теоретические вопросы, а во  второй  узнать практическое использование диффузионных процессов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Понятие и  закономерности протекания диффузии

1.1 Понятие диффузионных  процессов

Процесс проникновения частиц (молекул, атомов, ионов) одного вещества между частицами  другого вещества вследствие хаотичного движения называется диффузией. Таким  образом, диффузия – результат хаотичного движения всех частиц вещества, всякого механического воздействия.

Так как  частицы движутся и в газах, и  в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия. Диффузия – перенос вещества, обусловленный  самопроизвольным выравниванием неоднородной концентрации атомов или молекул разного вида. Если в сосуд впустить порции различных газов, то через некоторое время все газы равномерно перемешиваются: число молекул каждого вида в единице объёма сосуда станет постоянным, концентрация выравнивается (рис.1)

Диффузия  объясняется так. Сначала между  двумя телами чётко видна граница  раздела двух сред (рис.1а). Затем, вследствие своего движения отдельные частицы  веществ, находящихся около границы, обмениваются местами. Граница между веществами расплывается (рис.1б). Проникнув между частицами другого вещества, частицы первого начинают обмениваться местами с частицами второго, находящимися во всё более глубоких слоях. Граница раздела веществ становится ещё более расплывчатой. Благодаря непрерывному и беспорядочному движению частиц этот процесс приводит в конце концов к тому, что раствор в сосуде становится однородным (рис.1в).

               а                                  б                                  в                            

Рис.1. Объяснение явления диффузии.

Диффузия  крупных частиц, взвешенных в газе или жидкости (например, частиц Дыма или Суспензии), осуществляется благодаря их броуновскому движению. В дальнейшем, если специально не оговорено, имеется в виду молекулярная диффузия.

Диффузия играет важную роль в химической кинетике и технологии. При протекании химической реакции на поверхности катализатора или одного из реагирующих веществ (например, горении угля) диффузия может определять скорость подвода др. реагирующих веществ и отвода продуктов реакции, т. е. являться определяющим (лимитирующим) процессом. Для испарения и конденсации, растворения кристаллов и кристаллизации определяющей оказывается обычно диффузия. Процесс диффузии газов через пористые перегородки или в струю пара используется для изотопов разделения. Диффузия лежит в основе многочисленных технологических процессов — адсорбции, цементации и др.Широко применяются диффузионная сварка, диффузионная металлизация.         

 В  жидких растворах  диффузия молекул растворителя через полупроницаемые перегородки (мембраны) приводит к возникновению осмотического давления что используется в физико-химическом методе разделения веществ.

1.2 Закономерности  протекания диффузии

Разница концентрации является движущей силой  диффузии. Если концентрация всюду  одинакова, диффузный перенос вещества отсутствует. Выравнивание концентрации в результате диффузии происходит только в отсутствие внешних сил. Если разница концентраций существует наряду с разницей температур, в электрическом поле или в условиях, когда существенна сила тяжести (при большой разнице высот), выравнивание концентрации необязательно. Примером может служить уменьшение плотности воздуха с высотой.

Обратимся к опыту. В двух стаканах налита вода, но в одном холодная, а в другом – горячая. Опустим одновременно в стаканы пакетики с чаем. Нетрудно заметить, что в горячей воде чай быстрее окрашивает воду, диффузия протекает быстрее. Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.

Наиболее  быстро диффузия  происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. Неупорядоченность движения приводит к тому, что каждая частица постепенно удаляется от места, где она находилась, причём её смещение по прямой гораздо меньше пути, пройденного по ломаной линии. Поэтому диффузионное проникновение значительно медленнее свободного движения (скорость диффузионного распространения запахов, например, много меньше скорости молекул).  В жидкостях, в соответствии с характером теплового движения молекул,  диффузия  осуществляется перескоками молекул из одного временного положения равновесия в другое. Каждый скачок происходит при сообщении молекуле энергии, достаточной для разрыва её связей с соседними молекулами и перехода в окружение др. молекул (в новое энергетически выгодное положение). В среднем скачок не превышает межмолекулярного расстояния. Диффузионное движение частиц в жидкости можно рассматривать как движение с трением. Коэффициент диффузии в жидкости увеличивается с температурой, что обусловлено «разрыхлением» структуры жидкости при нагреве и соответствующим увеличением числа перескоков в единицу времени.

В твёрдом  теле могут действовать несколько  механизмов обмен местами атомов с вакансиями (незанятыми узлами кристаллической решётки), перемещение атомов по междоузлиям, одновременное циклическое перемещение нескольких атомов, прямой обмен местами двух соседних атомов и т.д. Первый механизм преобладает, например, при образовании твёрдых растворов  замещения, второй — твёрдых растворов внедрения. Увеличение числа дефектов (главном образом вакансий) облегчает перемещение атомов в твёрдом теле,  диффузия  и приводит к росту коэффициента диффузии.  Для коэффициента ,  диффузии в твёрдых телах характерна резкая (экспоненциальная) зависимость от температуры. Так, коэффициент,  диффузии  цинка в медь при повышении температуры от 20 до 300°С возрастает в 1014 раз.

Все экспериментальные  методы определения коэффициента диффузии содержат два основных момента: приведение в контакт диффундирующих веществ и анализ состава веществ, изменённого диффузии. Состав (концентрацию продиффундировавшего вещества) определяют химически, оптически (по изменению показателя преломления или поглощения света), масс-спектроскопически, методом меченых атомов и др.

2.Использование  диффузионных процессов

2.1 Диффузия  при обработке металлов 

Диффузионная  металлизация – процесс диффузионного  насыщения поверхности изделий  металлами или металлоидами. Диффузионное насыщение проводят в порошкообразной смеси, газовой среде или расплавленном металле (если металл имеет низкую температуру плавления).

Борирование – диффузионное насыщение поверхности  металлов и сплавов бором для  повышения твердости, коррозионной стойкости, износостойкости проводят путем электролиза в расплавленной соли бора. Борирование обеспечивает особенно высокую твердость поверхности, сопротивление износу, повышает коррозионную стойкость и теплостойкость. Борированные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в водных растворах соляной, серной и фосфорной кислот. Борирование применяют для чугунных и стальных деталей, работающих в условиях трения в агрессивной среде (в химическом машиностроении).

Алитирование  – это процесс диффузионного  насыщения поверхностного слоя алюминием, проводят в порошкообразных смесях алюминия или в расплавленном алюминии. Цель – получение высокой жаростойкости поверхности стальных деталей. Алитирование проводят в твердых и жидких средах.

Силицирование – диффузионное насыщение кремнием проводят в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой стальной детали имеет не очень высокую твердость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серной кислотах. Силицированные детали применяют в химической, целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленности. Для повышения жаростойкости силицирование применяют для изделий из сплавов на основе молибдена и вольфрама, обладающих высокой жаропрочностью.

Процессы  диффузии в металлах играют значительную роль. Если два металла приводятся в тесное соприкосновение лучом наплавления или спрессовывания порошка одного металла с другим и подвергаются действию достаточно высоких температур, то каждый из этих двух металлов диффундирует в другой. Если один из металлов жидкий, то он одновременно диффундирует в твердый и растворяет его.

Если  мы исходим при этом из чистых металлов, то в промежуточном слое образуется целая гамма фаз обоих металлов, обычно отдельно от смеси пограничных  фаз. Перепад концентраций в отдельных слоях очень различен; скорость диффузии, следовательно, сильно зависит от структуры решетки. В случае непрерывного ряда твердых растворов скорость диффузии равным образом зависит от состава основной массы; так, диффузия меди в никель с высокой точкой плавления происходит намного медленнее, чем диффузия никеля в медь. В один и тот же металл другие металлы диффундируют, как показали опыты Гевеза и Септса со свинцом, с тем большей скоростью, чем далее отстоят они в своих группах в периодической системе друг от друга (чем далее они по своей валентности). Применяя радиоактивный изотоп свинца, можно установить также, что однородные атомы особенно медленно обмениваются местами. Факт этой автодиффузии наглядно свидетельствует о движении металлических атомов при высоких температурах, на котором основаны также кристаллизация и рост кристаллов.

Однако  скорость диффузии очень малых атомов, например атомов водорода или углерода, вероятно особенно велика, так как они не занимают мест металлических атомов (твердые растворы замещения), а перемещаются между ними (твердые растворы внедрения). Это особенно ярко проявляется в стареющих железных сплавах. Сплавы железа с углеродом и азотом после быстрого охлаждения при комнатной температуре, так как атомы углерода и называются при этом достаточно подвижными, чтобы выпасть из твердого раствора внедрения. Твердые растворы замещения меди в а-железе и в особенности также различных металлов в у-железе упрочняются при старении только при температурах на несколько сот градусов выше.Поэтому металлы, которые при температурах отжига, могут диффундировать в другие металлы через газовую фазу.