5.7.3. Диффузия

Явление диффузии имеет место при контакте двух и более любых веществ — газов, жидкостей и твердых тел. Однако в газах диффузия протекает с наибольшей скоростью вследствие большей подвижности молекул газа. Обусловлено явление ха­отическим движением и самопроизвольным проникновением и смешиванием однородных и разнородных газов. Следователь­но, диффузия представляет собой самостоятельное перемеши­вание молекул при их тепловом движении. В случае переме­шивания молекул одного вида принято говорить о самодиффузии. Возникает и развивается диффузия при наличии градиен­та плотности дρ/дп, кг/м⁴. Градиент плотности является дви­жущей силой явления. Диффузия сводится к обмену массой между диффундирующими компонентами. Массу вещества, которая переносится при этом через поверхность s, м², вдоль нормали n к этой поверхности за время t, с, определяют из закона Ф. Фика:

где D — коэффициент диффузии, который численно равен массе, переносимой через 1 м² поверхности за 1 с при qradp = = др/дп = 1 кг/м⁴, м²/с. Знак «минус» указывает на перенос массы в направлении убывания плотности.

Диффузионные процессы играют большую роль в природе и технике. Иллюстраций, подтверждающих это утверждение, бесконечное множество. Например, диффузия кислорода из внешней среды внутрь организма при дыхании. У растений этот процесс происходит через листья. Поэтому растительность имеет поверхность соприкосновения с окружающей средой, пропорциональную необходимому количеству кислорода. Диф­фузия обеспечивает также поступление других веществ в растения через корневую систему. Что же касается- бесполезных и вредных для растения веществ, то они не перерабатываются растением и поэтому их концентрация внутри и у поверхности корней быстро уравнивается с концентрацией этих веществ в почве. Таким образом, диффузия помогает растению произвес­ти «обор необходимых веществ. Диффузионные процессы обес­печивают также деятельность пищеварительной системы жи­вотных и человека. Пища, как известно, в желудке и кишеч­нике переходит в растворенное состояние, и нужные организ­му вещества диффундируют через стенки пищеварительного тракта. Интересен и следующий пример из общественной жиз­ни муравьев. Они узнают и помнят друг друга только из своего сообщества по запаху кожи, выделяющей специфический уг­лерод'. Если после трехмесячной совместной жизни насекомых разделяют на 2 группы, то этот запах сохраняется до 18 ме­сяцев.

В технике явление диффузии положено в основу процессов экстракции — извлечения отдельных компонентов из слож­ных по составу систем: производство красителей, дубильных и других веществ в химическом производстве, сахара из свеклы. Диффузия как явление имеет место и в твердых телах. Коэф­фициент диффузии в твердых металлах в « 10^е раз меньше, чем в жидкостях. Тем не менее диффузия широко использует­ся в процессах .обработки металлов, так как существенно вли­яет на свойства металлов. При накаливании, например, железа с углем последний диффундирует в железо. Происходит науглероживание железных изделий. В обработке металлов этот процесс называют цементацией. Цементацию производят нагреванием изделий совместно с сажей, древесным углем, кок­сом или в газообразной среде окиси углерода при температуре от 600 до 1000 °С. Цементация способствует поверхностной за­калке изделий с образованием твердого наружного слоя и со­хранением вязкой сердцевины.

Из теоретических рассуждений следуют зависимости меж­ду коэффициентами переноса и D: Па с, и ,Вт/(м • К), где ис_у— соответственно плотность и массовая изохорная теплоемкость вещества, кг/м³ и Дж/(кг • К). Коэф­фициенты теплопроводности, диффузии и динамической вяз­кости при проведении практических расчетов процессов пере­носа берут из справочной литературы в зависимости от темпе­ратуры и давления конкретного газа.