확산

확산의 분류

기본 분류는 물리적 상태를 기반으로 합니다. 이 요소에 따라 고체, 액체 및 기체상에서의 확산을 구분합니다. 확산 원자를 생각하면 두 가지 범주를 구분할 수 있습니다. 첫 번째는 원소의 원자가 매트릭스 원자에 대해 상대적으로 이동할 때 발생하는 화학적 확산입니다. 두 번째는 자기확산(self-diffusion)으로, 같은 종류의 원자들이 서로 상대적으로 움직이면서 발생합니다. 고체상 확산은 다음과 같이 나눌 수 있습니다.

• 선형 및 표면 결함을 포함하지 않는 결정에서 발생하는 격자 확산,
• 결정에 전위가 있을 때 체적 확산,
• 탈구를 따라,
• 곡물 경계를 따라,
• 결정의 자유 표면에서의 표면 확산.

확산의 공석 메커니즘

이 현상은 공석, 즉 결정 격자의 점 결함이 있는 원자의 교환을 기반으로 하며, 이는 원자나 이온으로 채워지지 않은 결절이기도 합니다. 메커니즘이 발생하기 위한 조건은 적절한 열 에너지의 전달을 필요로 하는 그러한 사이트의 존재입니다. 원자를 둘러싼 전위 장벽도 파괴되어야 하며, 이 역시 일정량의 에너지를 필요로 합니다. 확산 활성화 에너지라고 하는 필요한 에너지는 원자의 열 진동에 의해 제공됩니다. 이러한 이유로 공석의 확률과 원자와의 교환 및 온도 사이의 관계는 거대하고 기하급수적으로 증가합니다. 이 메커니즘이 발생하면 확산 원자의 방향성 스트림 외에도 반대 방향으로 향하는 공극 스트림도 생성됩니다.

확산의 틈새 메커니즘

이러한 유형의 메커니즘은 매트릭스 원자와 간질 원자의 연속 점프를 가정합니다. 이러한 원자는 매트릭스 원자에 비해 직경이 작은 원자입니다. 하나의 원자간 결함에서 인접한 결함으로 점프가 발생합니다. 모든 결정 격자에는 가장 조밀한 결정 격자에도 두 가지 유형의 결함이 있습니다. 8면체는 더 큰 결함이고 4면체는 더 작은 결함입니다. 이 메커니즘을 사용하여 diffusee.g. 수소, 탄소, 질소 또는 산소 원자. 수소를 제외한 모든 것은 결함에 비해 직경이 커서 격자에 압축 응력을 가합니다. 이 메커니즘은 활성화에 필요한 에너지가 절반 이하이기 때문에 공석 확산 메커니즘보다 훨씬 빠르게 발생합니다. 그것은 공석의 존재에 의존하지 않고 격자의 충전 밀도에 의존합니다.

결정립계 확산

고체의 확산 속도에 영향을 미치는 요인

1. 온도는 원자의 열 진동과 직접적인 관련이 있습니다. 차례로 이들은 한 노드에서 다음 노드로 원자가 점프하는 데 필요한 에너지를 전달하는 역할을 합니다. 확산 속도는 온도가 증가함에 따라 증가합니다.
2. 결함의 밀도는 확산 속도를 결정하는 요소입니다. 전위 및 점 결함의 경우 농도가 높을수록 확산 속도가 높아집니다. 확산 속도를 감소시키는 결함 복합체의 경우에는 그 반대입니다.
3. 전체 압력의 증가는 물질과 반응하지 않는 대기에 위치한 시스템의 확산 속도를 감소시킵니다. 요인의 특히 큰 중요성은 고압에서 관찰됩니다.

고체의 확산 메커니즘

고체, 결정체의 원자는 끊임없이 위치를 바꿉니다. 확산으로서 우리는 결정 격자에서의 이동을 이해합니다. 원자는 주변에 여유 공간이 있고 원자 자체가 충분한 활성화 에너지를 가지고 있는 경우에만 점프할 수 있습니다. 결정 격자에서 원자의 진동을 고려할 때 다음 사항을 고려해야 합니다.

• 절대 영도 이상의 온도에서 각 원자는 자신의 위치 주변에서 고주파수로 진동합니다.
• 모든 원자가 동시에 같은 주파수와 진폭으로 진동하는 것은 아닙니다.
• 원자는 다른 에너지를 가지고 있습니다
• 같은 원자가 다른 시간에 다른 에너지를 가질 수 있고,
• 원자의 에너지는 온도와 함께 증가합니다.

솔루션의 확산

용매와 용질의 분자는 모두 일정하게 움직이기 때문에 분자가 퍼지면 부피 전체에 걸쳐 농도가 고르게 분포됩니다. 농도 구배는 확산을 활성화하고 분자의 흐름을 유발하여 농도 차이를 제거하는 요소입니다. 그 속도는 농도 구배에 정비례합니다.

가스확산

다른 물리적 상태와 관련하여 가장 빠른 프로세스입니다. 가스 분자의 자발적 확산은 분자 운동에 의해 발생합니다. 속도는 입자 사이에 다른 물질이 쉽게 차지할 수 있는 큰 공간이 있기 때문에 발생합니다. 온도의 증가는 자유 입자의 속도를 증가시켜 확산 속도를 훨씬 더 증가시킵니다.

Fick의 확산 법칙

Fick이 도입한 두 가지 법칙은 물리적 상태에 관계없이 확산 과정을 설명합니다.

1. Fick의 첫 번째 법칙은 확산 물질의 플럭스와 농도 구배 사이의 관계를 설명합니다. 플럭스는 플럭스에 수직인 단위 표면을 통해 단위 시간 동안 이동하는 물질의 양입니다.
2. Fick의 두 번째 법칙은 확산 물질 농도의 국지적 변화율과 농도 구배 사이의 관계를 설명합니다.

각 시스템에는 분자의 평균 속도, 즉 온도와 분자의 평균 자유 경로에 따라 달라지는 확산 계수도 있습니다. 확산의 일상적인 예:

1. 방에서 냄새의 빠른 통과.
2. 호흡하는 동안 산소가 혈액으로 침투합니다.
3. 찻잎에서 파생된 입자가 양조하는 동안 용기에서 전체 부피까지 퍼집니다.
4. 섬유 염색 – 잉크/안료 확산.
5. 양념하는 동안 맛과 향이 퍼집니다.