Глава V. Диффузионные пары.

15. Термодиффузионная.

Схема пары.

Под диффузионной понимается пара, в которой круговой циркуляции подвергается диффундирующее вещество (§ 2).

Если соединить концами два родственных тела а и б, то под действием разности температур (525) в замкнутой цепи пары возникает круговая диффузия третьего вещества, играющего роль второго экстенсора. Схема диффузионной пары имеет вид, изображенный на рис. 15-а.

В принципе диффузионную пару можно осуществить и в капилляре (рис. 16), заполненном двумя веществами, которые не способны фильтроваться. В противном случае фильтрация подавит диффузию, ибо первый процесс на несколько порядков более интенсивен, чем второй [11, 14].

Возникающие явления.

Термодиффузионной паре присущи все те эффекты, которые описаны в § 6 и 7. К их числу относятся, в частности, известные эффекты Соре и Дюфора.

Особенно заметно термодиффузия проявляется в газах. Соответствующие явления широко применяются на практике для разделения газовых смесей, изотопов и т.д. Им посвящена обширная литература [20].

Не менее эффективно применение термодиффузии для интенсификации таких технологических процессов, как цементирование, азотирование, алитирование, хромирование, цианирование и т.д. Например, создание на поверхности стального изделия большого градиента температуры в поле токов высокой частоты позволяет в сотни и тысячи раз ускорить процесс нитроцементирования. Таким способом за 30 секунд удается получить нитроцементированный слой толщиной до 0,3 мм [11].

Разность температур (525) можно использовать также для замедления нежелательного процесса диффузии. Например, при литье титана в графитовую форму поверхностный слой отливки насыщается углеродом. Это ухудшает свойства изделия. Диффузия ускоряется в направлении потока теплоты [11]. Следовательно, для ослабления диффузии углерода из формы в отливку требуется увеличить градиент температуры на поверхности изделия, т.е. повысить интенсивность охлаждения металла. При этом одновременно снизятся абсолютные температуры поверхности титана, что также благоприятно скажется на замедлении процесса диффузии.

16. Электродиффузионная.

Описание пары.

Диффузионная циркуляция третьего вещества под действием разности потенциалов (528) может проявляться в твердых, жидких и газообразных проводниках а и б, соединенных по схеме, которая показана на рис. 15-а или 16. Однако в твердых телах диффузия отличается малой интенсивностью, а газы легко между собой смешиваются.

Для экспериментального наблюдения электродиффузии была выбрана жидкостная пара, состоящая из медицинского эфира (проводник а) и воды (проводник б) – рис. 15-а, которые между собой не смешиваются. Третьим – циркулирующим – веществом служит краситель родамин С в растворе ацетона. Краситель шприцем вводится на поверхности раздела воды и эфира [11, 14].

Данные опыта.

После создания между спаями разности потенциалов (528) начинается круговая циркуляция красителя, который на аноде (плюс, спай ’) переходит из воды в эфир, а на катоде (минус, спай ”) из эфира в воду. Процесс циркуляции легко наблюдать в начальный период по распространению фронта красителя. Чтобы отделить процесс обычной диффузии от электродиффузии, сравниваются две одинаковые пары, в одной из которых разность потенциалов  равна заданной величине, а в другой – нулю [11, 14].

Электродиффузия может быть применена на практике для ускорения процессов цементирования, азотирования, алитирования, хромирования, цианирования и т.д. Использование дополнительной электрической степени свободы позволяет интенсифицировать эти процессы в 5-10 и более раз. Опыт показывает, что глубина нитроцементированного слоя на минусе получается больше, чем на плюсе. Она растет со временем, силой электрического тока и температурой [11].

Электрическую степень свободы можно применить также для ослабления процесса диффузии. Например, соответствующая задача возникает при литье титана в графитовую форму, когда требуется избежать насыщения поверхности отливки углеродом. При этом отливка должна служить отрицательным электродом, а форма положительным [11].

Следует заметить, что диффузионные пары не ограничиваются рассмотренными термической и электрической степенями свободы. Однако приведенных примеров вполне достаточно для уяснения сути дела.