Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
matem_diffuzii_MDL3.doc
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
672.77 Кб
Скачать

1.5 Диффузия при наличии химической реакции

При наличии химической реакции первого порядка (радиоактивного распада, постоянного удержания), диффузионное уравнение принимает вид:

2

C = D

C kC , (22)

t x 2

где k – постоянная необратимой химической реакции 1-го порядка (сек-1).

Уравнение 1 обычно называется уравнением диффузии при наличии стока (исчезновения)

диффундирующих частиц.

Замечание. Рассмотрим уравнение:

C *

t

2C *

= D kC *

x 2

(22а)

Подстановка С* = Сехр(-λt) переводит () в уравнение классической диффузии 1б:

C = D

t

2C

x 2

. (22б)

Действительно:

2

C e λt λCe λt = D C e λt λCe λt

t x 2

После сокращения на экспоненту получим Ур.1б.

Решение Ур.1а имеет вид:

t

C * = λ e λt Cdt + Ceλt

0

Доказательство:

5

(22в).

Продифференцировав Ур.1в по t получим:

*

C = λCeλt λCeλt + C e λt = C e λt

(22г)

t t t

а, продифференцировав по х:

2 t 2 2

2

C = λ C e λt dt + C e λt

x 2

0 x

C

2C

x 2

и т.к.

2

= D

t x 2

t

, то

D C = λ

C e λt dt + e λt C

x 2

t t

Замещая из Ур.1г получим:

2 C *

D

t C *

0

*

0

= λ

+ C

2 C *

или D

= λC * + C

, читд.

x 2

t t

x 2 t

При наличии источника, F, диффундирующих частиц:

2

C = D

C + F , (23)

t

где F – мощность источника.

x 2

При наличии источника (F) и стока (k):

2

*

C1 = D

C1 + F kC . (24)

t x 2

Подобное уравнение используется при описании диффузии короткоживущих радиоактивных газов, образующихся при ядерных реакциях. В эманационном методе (диффузия короткоживущего радона-220, с постоянной скорость образующегося из находящегося в исследуемом веществе радия-224) соответственно имеем:

2

C1 = D

C1 + λ C

λ C

, (25)

t x 2

2 2 1 1

где λ2 – постоянная распада и С2 – концентрация радия, λ1 – постоянная распада и C1 – концентрация радона. Таким же уравнением будет описываться диффузия при наличии временного удержания атома диффузанта в ловушке (например, в дефекте): λ1 – постоянная захвата, λ2 – постоянная освобождения атома.

1.6 Диффузия при наличии адсорбции диффузанта

Если в процессе диффузии происходит локализация диффундирующих молекул, т.е.

молекула проводит некоторое время в связанном состоянии, а потом продолжает свой путь, то:

2

C = D

C B . (26)

t x 2 t

Например, если диффузия сопровождается адсорбцией диффузанта на поверхности микропор в соответствии с законом Ленгмюра, то характеристическая функция адсорбции:

B = C

α + β C

. (27)

В стационарном состоянии выполняется условие

C = 0

t

и уравнение:

6

2C

D = 0

x 2

(28)

носит название уравнение Лапласа (уравнение эллиптического типа).

Полный диффузионный поток записывается в виде:

J = DS = C

, (29)

x Σ

где S поверхность образца, знак Σ означает, что нас интересует градиент концентрации

на поверхности тела.

Замечание. В математической физике уравнение для стационарной диффузии при наличии источника (или стока) диффузанта, Q:

2C 1

+ Q = 0

x 2 D

называется уравнением Пуассона, при Q=0, т.е. при отсутствии источников (стоков) диффузанта

уравнением Лапласа:

2C

x 2

= 0 .

Уравнения Лапласа и Пуассона принадлежат к дифференциальным уравнениям эллиптического типа.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]