, kde J [mol.m -2.s -1 ] je difuzní tok, D [m 2.s -1 ] je celkový

Podobné dokumenty
Aplikované chemické procesy. Heterogenní nekatalyzované reakce

TERMODYNAMIKA 1. AXIOMATICKÁ VÝSTAVBA KLASICKÉ TD Základní pojmy

TERMODYNAMIKA 1. AXIOMATICKÁ VÝSTAVBA KLASICKÉ TD Základní pojmy

a) [0,4 b] r < R, b) [0,4 b] r R c) [0,2 b] Zakreslete obě závislosti do jednoho grafu a vyznačte na osách důležité hodnoty.

Termodynamika materiálů. Vztahy a přeměny různých druhů energie při termodynamických dějích podmínky nutné pro uskutečnění fázových přeměn

VNITŘNÍ ENERGIE, TEPLO A PRÁCE

Teorie transportu plynů a par polymerními membránami. Doc. Ing. Milan Šípek, CSc. Ústav fyzikální chemie VŠCHT Praha

9 Charakter proudění v zařízeních

Hydrochemie koncentrace látek (výpočty)

5.4 Adiabatický děj Polytropický děj Porovnání dějů Základy tepelných cyklů První zákon termodynamiky pro cykly 42 6.

Cvičení z termomechaniky Cvičení 2. Stanovte objem nádoby, ve které je uzavřený dusík o hmotnosti 20 [kg], teplotě 15 [ C] a tlaku 10 [MPa].

Hydrochemie koncentrace látek (výpočty)

Určení počátku šikmého pole řetězovky

EKONOMETRIE 2. přednáška Modely chování výrobce I.

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM. Polarizace světla. Fyzikální sekce přirodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně. T = p =

Základy vakuové techniky

DIFUZNÍ PROCESY V PEVNÝCH LÁTKÁCH SE ZAMĚŘENÍM NA RŮST A LEGOVÁNÍ KRYSTALŮ

U218 Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. Seminář z PHTH. 3. ročník. Fakulta strojní ČVUT v Praze

Vybrané technologie povrchových úprav. Základy vakuové techniky Doc. Ing. Karel Daďourek 2006

TERMOMECHANIKA 15. Základy přenosu tepla

Cvičení F2070 Elektřina a magnetismus

Termodynamika. T [K ]=t [ 0 C] 273,15 T [ K ]= t [ 0 C] termodynamická teplota: Stavy hmoty. jednotka: 1 K (kelvin) = 1/273,16 část termodynamické

Fyzikální chemie. Magda Škvorová KFCH CN463 tel února 2013

Úloha 3-15 Protisměrné reakce, relaxační kinetika Úloha 3-18 Protisměrné reakce, relaxační kinetika... 6

7 Lineární elasticita

III. STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ

r j Elektrostatické pole Elektrický proud v látkách

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM transport vodní páry

Měření prostupu tepla

Měření teplotní roztažnosti

U218 Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. Seminář z PHTH. 3. ročník. Fakulta strojní ČVUT v Praze

Zákony ideálního plynu

Základem molekulové fyziky je kinetická teorie látek. Vychází ze tří pouček:

GAUSSŮV ZÁKON ELEKTROSTATIKY

CVIČENÍ č. 10 VĚTA O ZMĚNĚ TOKU HYBNOSTI

Stanovení požární odolnosti. Přestup tepla do konstrukce v ČSN EN

Symbolicko - komplexní metoda II Sériové zapojení prvků R, L a C

Termodynamika 2. UJOP Hostivař 2014

TELMG Modul 03: Maxwellovy rovnice. I. a II. MR: aplikací plošného integrálu a Stokesovy věty integrálního počtu

Tepelná vodivost. střední rychlost. T 1 > T 2 z. teplo přenesené za čas dt: T 1 T 2. tepelný tok střední volná dráha. součinitel tepelné vodivosti

PŘECHODOVÝ DĚJ VE STEJNOSMĚRNÉM EL. OBVODU zapnutí a vypnutí sériového RC členu ke zdroji stejnosměrného napětí

Třecí ztráty při proudění v potrubí

VI. Nestacionární vedení tepla

. Najdi parametrické vyjádření přímky AB. Nakresli přímku AB do kartézské soustavy souřadnic a najdi její další vyjádření.

Mol. fyz. a termodynamika

Nejprve je nutno převést hmotnostní koncentrace na molární (správný výsledek je 1,345M).

1.8. Mechanické vlnění

10. Energie a její transformace

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

8 Elasticita kaučukových sítí

kde k c(no 2) = 2, m 6 mol 2 s 1. Jaká je hodnota rychlostní konstanty v rychlostní rovnici ? V [k = 1, m 6 mol 2 s 1 ]

Nauka o materiálu. Přednáška č.10 Difuze v tuhých látkách, fáze a fázové přeměny

TERMOMECHANIKA PRO STUDENTY STROJNÍCH FAKULT prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. Brno 2013

Potenciální proudění

Předpokládáme ideální chování, neuvažujeme autoprotolýzu vody ve smyslu nutnosti číselného řešení simultánních rovnováh. CH3COO

Vzpěr jednoduchého rámu, diferenciální operátory. Lenka Dohnalová

1. Kvantové jámy. Tabulka 1: Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o.

, p = c + jω nejsou zde uvedeny všechny vlastnosti viz lit.

Nauka o materiálu. Přednáška č.2 Poruchy krystalické mřížky

MECHANIKA KAPALIN A PLYNŮ. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Mechanika - 1. ročník

24 Adsorpce Úvod

Řešení úloh celostátního kola 59. ročníku fyzikální olympiády. Úlohy navrhl J. Thomas

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ Vlnění

Mechanika tekutin. Tekutiny = plyny a kapaliny

Molekulová fyzika a termika:

Technologie a procesy sušení dřeva

NUMERICKÝ MODEL NESTACIONÁRNÍHO PŘENOSU TEPLA V PALIVOVÉ TYČI JADERNÉHO REAKTORU VVER 1000 SVOČ FST 2014

2.6. Vedení pro střídavý proud

1. Dva dlouhé přímé rovnoběžné vodiče vzdálené od sebe 0,75 cm leží kolmo k rovine obrázku 1. Vodičem 1 protéká proud o velikosti 6,5A směrem od nás.

Do známky zkoušky rovnocenným podílem započítávají získané body ze zápočtového testu.

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM transport vodní páry

Přenos pasivního dvojbranu RC

PROCESY V TECHNICE BUDOV 8

2. Úloha difúze v heterogenní katalýze

Molekulová fyzika a termika. Přehled základních pojmů

Řešíme tedy soustavu dvou rovnic o dvou neznámých. 2a + b = 3, 6a + b = 27,

18 Kinetika chemických reakcí

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

2.4 Stavové chování směsí plynů Ideální směs Ideální směs reálných plynů Stavové rovnice pro plynné směsi

Přednáška 2. Martin Kormunda

Vybrané procesy potravinářských a biochemických výrob

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. 10 Název: Rychlost šíření zvuku. Pracoval: Jakub Michálek

2. Vlnění. π T. t T. x λ. Machův vlnostroj

5.7 Vlhkost vzduchu Absolutní vlhkost Poměrná vlhkost Rosný bod Složení vzduchu Měření vlhkosti vzduchu

6 Algebra blokových schémat

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

c A = c A0 a k c ln c A A0

Fyzika - Sexta, 2. ročník

2. KINETICKÁ ANALÝZA HOMOGENNÍCH REAKCÍ

Látka jako soubor kvantových soustav

Přírodní vědy - Chemie vymezení zájmu

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ

Kritéria porušení laminy

Úloha 1-39 Teplotní závislost rychlostní konstanty, reakce druhého řádu... 11

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

Fyzikální praktikum...

Betonové konstrukce (S) Přednáška 3

Cvičení z termomechaniky Cvičení 3.

2. Akustika, základní pojmy a veličiny v akustice

Transkript:

FM / DIFUZE I. I. a II. FICKŮV ZÁKON Jméno: St. sk.: Datum: Autor vičení: Ing. Eva Novotná, Ph.D., 4enov@seznam.z Potřebné moudro : Cílem vičení je vytvořit reálný pohled na důležitost, mnohotvárnost a složitost difuzníh jevů a jejih matematikého řešení. Difuze je přenosovým jevem, při němž se elementární částie hmoty, případně vakane, pohybují vzhledem k ostatním částiím. V plyneh a kapalináh je difuze jen jedním z možnýh přenosovýh mehanismů látky (k přemisťování části může doházet i prouděním); difuze v těhto látkáh probíhá snadno. V tuhýh látkáh je difuze jediným možným mehanismem přenosu látky. Difuze v těhto látkáh probíhá obtížně, neboť atomy jsou poměrně pevně vázány ve svýh rovnovážnýh poloháh v mříže. Jejih odpoutání a přesun do sousední polohy je možný pouze při velkýh amplitudáh kmitů kolem uzlového bodu - tedy při vysokýh teplotáh. Přesunu každé částie brání sousední částie a proto je její přemístění uskutečňováno serií nahodilýh skoků a kolizí. Výsledkem však může být významné přemístění látky (za dané teploty nevratné) doprovázené zvýšením entropie a snížením volné entalpie soustavy. Problémy v oblasti difuze jsou řešeny buď z hlediska fenomenologikého (základem jsou Fikovy zákony) nebo fyzikálního (atomového). I. Fikův zákon (I.FZ): J = D, kde J [mol.m -.s - ] je difuzní tok, D [m.s - ] je elkový koefiient difuze, [mol.m -3.m - ] je gradient konentrae. Z uvedeného vztahu vyplývá, že: J má opačný smysl než látka se přenáší z místa o její vyšší konentrai do místa o její nižší konentrai a difuze vede k vyrovnání konentračníh rozdílů. Toto platí ve skutečnosti pouze pro difuzi látky v tekutýh roztoíh a v ideálníh tuhýh roztoíh. Difuze v reálnýh tuhýh roztoíh může probíhat i tak, že J i v průběhu difuze zvětšuje. jsou stejného smyslu a konentrační rozdíl se = je i J = nedohází k přenosu látky mezi místy, v nihž je konentrae stejná. Při Ukázalo se, že i toto platí pouze v tekutýh a ideálníh tuhýh roztoíh. V reálnýh tuhýh =. roztoíh může být J i při Hnaí silou difuze nebývá tedy vždy gradient konentrae (Fikovo pojetí). Uplatňují se i gradienty jinýh termodynamikýh veličin; v případě reálnýh tuhýh roztoků jde o gradient pariální molární volné entalpie dγ i aktivity difundujíí látky i. dg i, který je vyvolán gradientem koefiientu termodynamiké Difuze I. / FM * /7

Přes uvedené výhrady je Fikovo pojetí difuze považováno stále za základní. Jeho výhoda spočívá ve velkém množství eperimentálně určenýh hodnot hemikého koefiientu difuze a nalezenýh řešení difereniálníh rovni difuze. Často je však použitelné pouze za určitýh korekí nebo zjednodušujííh předpokladů. II. Fikův zákon (II.FZ): = D + D + D y y z z je funkí konentrae, případně i směru a polohy při difuzi v anizotropním prostředí., kde koefiient difuze D Za určitýh podmínek (např. při malýh změnáh konentrae a při difuzi v izotropním prostředí) můžeme předpokládat konstantní hodnotu koefiientu difuze D = konst. Potom nabývá rovnie II. FZ tvaru = D + + y z. Staionární difuze - konentrae difundujíí látky zůstává v každém bodě uvažovaného prostředí stejná, tzn. že =. To zároveň znamená, že musí být splněna podmínka staionárnosti difuzníh toků ( J = D = konst. konstantní - podle toho, zda je nebo není konstantní koef. difuze D. ). Gradient konentrae přitom může, ale nemusí být Nestaionární difuze - v uvažovaném bodě se mění konentrae difundujíí látky v závislosti na čase, t. j.. Podmínkou pro tento stav je rozdílnost difuzníh toků v jednotlivýh bodeh prostoru ( J = D konst. ). Zpravidla se mění i gradient konentrae, t. j. konst. Příklady ke studiu Staionární difuze membránou při D = konst. Uvažujeme membránu o tloušťe l, jejíž povrhy = a = l jsou udržovány na konentraíh a. Po určité době je dosaženo stavu staionární difuze, pro níž platí =. Potom = D =. První integraí obdržíme = konst ( to znamená, že napříč membránou se konentrae mění lineárně z hodnoty na. Druhou integraí po zavedení podmínek = pro = a = pro = l získáme vztah = l. Konentrai látky v místě ( < < l) pak vypočítáme ze vzore =. Difuzní tok (ryhlost difuze) je stejný v elém průřezu l membrány a je určen I. FZ ve tvaru ( ) J = D = D. l Difuze I. / FM * /7

Difuze v nekonečném prostředí (- < < ) při rovinném zdroji látky v poloze =. Bylo nalezeno řešení rovnie =,5 D ve tvaru = Aτ ep, kde A = konst. 4Dτ M Dalším výpočtem a úpravou dostaneme, že ( ) = ep. Tento vztah vyjadřuje,5 πdτ 4Dτ rozložení látky vlivem difuze, bylo-li její množství M uloženo v rovině = v čase τ =. Grafikým znázorněním jsou křivky na obr. - je vidět, že polovina látky M je od zdroje v = přenášena v kladném směru osy, polovina ve směru záporném. Difuze při rozprostřeném zdroji látky. V přeházejíím případě bylo elkové množství difundujíí látky původně uloženo v rovině =. V prai je mnohem častější případ, kdy zdroj difundujíí látky zabírá určitou oblast, ož je vyjádřeno počátečními podmínkami = pro <, = pro > v čase τ =. Řešením tohoto problému je po úpraváh vztah (, τ ) vyjádření je znázorněno na obr.. Platí, že (, ) = erf,5 ( Dτ ) τ = pro = při všeh τ >., jehož grafiké Poznámka: erf (z) je matematiká hybová funke (error funtion) argumentu (z). S funkí erf (z) se zahází podobně jako např. s funkí sin (α). Hodnoty funke erf (z) jsou pro argumenty (z) tabelovány; v tomto protokolu v tab.. Difuze v nekonečném prostředí (- < < ). Počáteční podmínky: A N A okrajové podmínky : N = pro <, N A = N A pro > při τ =, N A + N A N A = pro = při τ >. Toto je případ difuze přes fázové rozhraní difuzního článku vytvořeného spojením dvou dlouhýh tyčí z binárníh slitin komponent A a B. Hodnoty N A a N A jsou velmi blízké a proto je možno považovat v čase τ je D = konst. D f (). Obsah komponenty A ve vzdálenosti od fázového rozhraní N A. Difuze I. / FM * 3/7

Rovnie = D má řešení ve tvaru N kde { + } je používáno pro N A > N + N A A N N A ± erf τ N + N A A = N A +,, { } pro N A < A A.,5 ( D ) Tato rovnie slouží k eperimentálnímu určení koefiientu difuze D ze známýh hodnot N A a N A a ze změřené hodnoty N A pro určité a τ. Graf závislosti je na obr. 3. Difuze v polonekonečném prostředí ( < < ). Počáteční podmínky: = pro > při τ =, okrajové podmínky: = pro = při τ >. Tento příklad modeluje proesy nasyování a odsyování pod rovinným povrhem součástí. Bylo nalezeno řešení difereniální rovnie difuze ve tvaru = erf = erf Dτ,5 ( Dτ ),5 ( ) Grafiké znázornění rovni je na obr. 4. pro > (t. j. pro nasyování) pro < (t. j. pro odsyování). Difuze I. / FM * 4/7

Úkoly k řešení Dáno: Avogadrova konstanta molární objem stříbra a) Jaký je počet atomů Ag v objemu V= -6 m 3? b) Jaký je objem V Ag jednoho atomu Ag? ) Srovnejte vypočítaný d Ag s hodnotou d Ag =,89 nm uváděnou v literatuře. Hodnota teoretiké výpočtu se nepatrně liší od hodnoty uváděné v literatuře (v závisloti na velmi nízkém řádu rozměru). Kovy A a B mají molární objem a) Jaký je gradient n A V m složeném z obou kovů v oblasti, kde se =,3-6 m 3.mol - a tvoří ideální roztoky., kde n A je počet atomů A v jednotkovém objemu, v difuzním článku N A mění z,3 na,65 na vzdálenost,mm. b) Jaký je tok látky A průřezem S =,5-4 m v oblasti s gradientem konentrae zjištěným v bodě (a), je-li koefiient difuze D = -4 m.s -. Difuze I. / FM * 5/7

Svařením na tupo byly spojeny dvě tyče, z nihž tyč má N A =,4 složky A, tyč má N A =,5 složky A. Spojené tyče byly ohřáty na teplotu T a po prodlevě 4 hod. ohlazeny na pokojovou teplotu. Chemikým rozborem bylo zjištěno u tyče ve vzdálenosti =, m od fázového rozhraní N =,43. Určete koefiient difuze D pro teplotu T. A => z=.375 odečteno z tabulky Předpokládejte, že D = konst. a T je stejná jako v přeházejíím případě. Určete dobu τ, za kterou se bude konentrae N A, zjištěná ve vzdálenosti, naházet ve vzdálenosti.5 nebo. pro =. [m] pro =.4 [m] Za hloubku difuzní vrstvy h v polonekonečném prostředí se pokládá vzdálenost od fázového rozhraní, v níž poměrná hodnota konentrae Vypočítejte hloubku h. ( ) ( ) nebo ( ) ( ) dosáhne hodnoty,5. z=.475 odečteno z tabulky Difuze I. / FM * 6/7

Tab. : Hodnoty funke erf (z) pro vybrané argumenty (z) Difuze I. / FM * 7/7