Термін «дифузія» описує рух енергії або молекул/частинок у даному середовищі в результаті їх хаотичних зіткнень один з одним або з частинками навколишнього середовища. Найчастіше ми говоримо про дифузію в контексті молекулярного переносу, спричиненого різницею концентрації. Дифузія - це процес, який зазвичай спостерігається в природі, використовується живою речовиною. Крім того, він відіграє важливу роль у багатьох важливих процесах у різних галузях промисловості, таких як металургія та кераміка, наприклад, під час фазових перетворень, спікання або фазової коагуляції. Дифузія спричинена різними факторами, наприклад, градієнтами: концентрація, температура, тиск, зовнішні сили та наявність електричного заряду.
Класифікація дифузії
Основна класифікація базується на фізичному стані. За цим фактором розрізняють дифузію в твердій, рідкій і газоподібній фазах. Говорячи про дифузію атомів, можна виділити дві категорії. Перший — це хімічна дифузія, яка відбувається, коли атоми елемента рухаються відносно атомів матриці. Другий — самодифузія, спричинена переміщенням однорідних атомів відносно один одного. Дифузію твердої фази можна розділити на:
- гратчаста дифузія, що виникає в кристалах, що не містять лінійних і поверхневих дефектів,
- об’ємна дифузія, коли кристал має дислокації,
- уздовж вивиху,
- уздовж меж зерен,
- поверхнева дифузія на вільній поверхні кристала.
Механізм вакансій при дифузії
В основі явища лежить обмін атома з вакансією, тобто точковим дефектом кристалічної решітки, який також є вузлом, не заповненим жодним атомом чи іоном. Умовою виникнення механізму є наявність таких ділянок, що, у свою чергу, вимагає доставки достатньої теплової енергії. Потенційний бар’єр, що оточує атоми, також має бути зруйнований, що також потребує певної кількості енергії. Необхідна енергія, яка називається енергією активації дифузії, забезпечується тепловими коливаннями атомів. З цієї причини зв’язок між ймовірністю вакансії та її обміном з атомами та температурою величезний і зростає експоненціально. При виникненні цього механізму, крім спрямованих потоків дифундуючих атомів, створюються також потоки вакансій, спрямовані в протилежному напрямку.
Інтерстиціальний механізм при дифузії
Цей тип механізму передбачає послідовні стрибки міжвузлових атомів з атомами матриці. Такими атомами є атоми з малими діаметрами порівняно з атомами матриці. Переходи відбуваються з одного міжатомного дефекту на сусідній. У кожній кристалічній решітці, навіть найщільнішій, є два типи дефектів. Октаедричні — це більші дефекти, а тетраедричні — менші дефекти. Використовуючи цей механізм diffusee.g. атоми водню, вуглецю, азоту або кисню. Усі, крім водню, мають настільки великі діаметри відносно дефектів, що вони створюють напруги стиску в решітці. Механізм відбувається набагато швидше, ніж механізм дифузії вакансій, оскільки енергія, необхідна для його активації, приблизно вдвічі менша. Це залежить не від наявності вакансій, а від щільності заповнення решітки.
Зерногранична дифузія
Фактори, що впливають на швидкість дифузії в твердих тілах
- Температура безпосередньо пов’язана з тепловими коливаннями атомів. Вони, у свою чергу, відповідають за доставку енергії, необхідної для стрибка атома з одного вузла в інший. Швидкість дифузії зростає з підвищенням температури.
- Щільність дефектів є фактором, що визначає швидкість дифузії. У випадку дислокацій і точкових дефектів, чим більше їх концентрація, тим вище швидкість дифузії. Навпаки, у випадку комплексів дефектів, які зменшують швидкість дифузії.
- Підвищення загального тиску зменшує швидкість дифузії в системах, розташованих в атмосфері, яка не реагує з матеріалом. Особливо велике значення фактора спостерігається при високих тисках.
Механізм дифузії в твердих тілах
Атоми в твердих тілах, в кристалах постійно змінюють своє розташування. Під дифузією ми розуміємо їх міграцію в кристалічній решітці. Атом може стрибнути лише в тому випадку, якщо навколо нього є вільний простір і сам атом має достатню енергію активації. Розглядаючи коливання атомів у кристалічній решітці, слід враховувати, що:
- при температурах вище абсолютного нуля кожен атом коливається з високою частотою навколо свого положення.
- не кожен атом коливається з однаковою частотою та амплітудою одночасно,
- атоми мають різну енергію
- той самий атом може мати різну енергію в різний час,
- енергія атомів зростає разом із температурою.
Дифузія в розчинах
Завдяки тому, що молекули як розчинника, так і розчиненої речовини знаходяться в постійному русі, їх розтікання призводить до рівномірного розподілу концентрації по всьому об’єму. Градієнт концентрації є фактором, який активує дифузію і викликає потік молекул, усуваючи різницю концентрацій. Його швидкість прямо пропорційна градієнту концентрації.
Газова дифузія
Це найшвидший процес по відношенню до інших фізичних станів. Спонтанне поширення молекул газу зумовлене кінетичним рухом молекул. Швидкість зумовлена наявністю великих просторів між частинками, які легко можуть бути зайняті іншими речовинами. Підвищення температури ще більше збільшує швидкість дифузії за рахунок збільшення швидкості вільних частинок.
Закони дифузії Фіка
Два закони, введені Фіком, описують процес дифузії незалежно від фізичного стану:
- Перший закон Фіка описує зв’язок між потоком речовини, що дифундує, і градієнтом її концентрації. Потік — це кількість речовини, яка за одиницю часу переміщується через одиницю поверхні перпендикулярно потоку.
- Другий закон Фіка описує зв’язок між локальною швидкістю зміни концентрації речовини, що дифундує, і градієнтом її концентрації.
Для кожної системи також існує свій коефіцієнт дифузії, який залежить від середньої швидкості молекул, тобто також від температури, і від довжини вільного пробігу молекул. Повсякденні приклади дифузії:
- Швидке проходження запахів в кімнаті.
- Проникнення кисню в кров при диханні.
- Частинки, отримані з чайного листя, розповсюджуються в посудині під час заварювання на весь об’єм.
- Фарбування волокон – нанесення чорнила/пігменту.
- Поширення смаку та аромату під час приправ.
