2016-12-23 10:06:58

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扩散系数--表示气体(或固体)扩散程度的物理量。扩散系数是指当浓度梯度为一个单位时,单位时间内通过单位面积的气体量,

在气体中,如果相距1厘米(或者每米)的两部分,其密度相差为1克每立方厘米(或者每米),则在1秒内通过1平方厘米(或者平方米)面积上的气体质量,规定为气体的扩散系数。单位:cm2/S或者m2/s

基本信息

  • 中文名

    扩散系数

  • 外文名

    Diffusion coefficient

  • 扩散系数

    表示气体(或固体)

  • 条件

    448K(175℃)

折叠 编辑本段 扩散系数

物质的分子扩散系数表示它的扩散能力,是物质的物理性质之一。根据菲克定律,扩散系数是沿扩散方向,在单位时间每单位浓度梯度的条件下,垂直通过单位面积所扩散某物质的质量或摩尔数,即菲克定律菲克定律可以看出,质量扩散系数D和动量扩散系数ν及热量扩散系数α具有相同的单位(m/s)或(cm/s),扩散系数的大小主要取决于扩散物质和扩散介质的种类及其温度和压力。质扩散系数一般要由实验测定。某些气体与气体之间和气体在液体中扩散系数的典型值如表2-1所示。

扩散系数D(m2/s) 表2-1扩散系数D(m2/s) 表2-1其中,液相质扩散,如气体吸收,溶剂革取以及蒸馏操作等的D比气相质扩散的D低一个数量级以上,这是由于液体中分子间的作用力强烈地束缚了分子活动的自由程,分子移动的自由度缩小的缘故。

二元混合气体作为理想气体用分子动力理论可以得出D~p-1T的关系。不同物质之间的分子扩散系数是通过实验来测定的。表2-2列举了在压强p0=1.013×105Pa、温度T0=273K时各种气体在空气中的扩散系数D0,在其它p、T状态下的扩散系数可用下式换算

两种气体A与B之间的分子扩散系数可用吉利兰(Gilliland)提出的半经验公式估算

(2-22)

式中,T:热力学温度,K;p:总压强,Pa;μA、μB:气体A、B的分子量;VA、VB:气体A、B在正常沸点时液态克摩尔容积,cm3/gmol。几种常见气体的液态克摩尔容积可以查表2-3。

表2-3表2-3按式(2-22),扩散系数D与气体的浓度无直接关系,它随气体温度的升高及总压强的下降而加大。这可以用气体的分子运动论来解释。随着气体温度升高,气体分子的平均运动动能增大,故扩散加快,而随着气体压强的升高,分子间的平均自由行程减小,故扩散就减弱。当然,按状态方程,浓度与压力、温度是相互关联的,所以质扩散系数与浓度是有关的,就象导热系数与温度有关一样。式(2-22)中D的单位是cm2/s,它和动量扩散系数ν=μ/ρ以及热扩散系数α=λ/cpρ的单位相同,在计算质扩散通量或摩尔扩散通量时,D的单位要换算为m2/s。

分子扩散传质不只是在气相和液相内进行,同样可在固相内存在,如渗碳炼钢、材料的提纯等等。在固相中的质扩散系数比在液相中还将低大约一个数量级,这可用分子力场对过程的影响更大,使分子移动的自由度更小作为合理的定性解释。

二元混合液体的扩散系数以及气-固、液-固之间的扩散系数,比气之间的扩散系数要复杂得多,只有用实验来确定。

折叠 编辑本段 分类

简介

扩散系数可分为自扩散系数、互扩散系数及内扩散系数。

铜(Cu)及金(Au)在Al中的扩散系数

条件:448K(175℃)

Cu: 0.092×10^19[m^2/s]

Au: 3.9×10^19[m^2/s]

(注:半导体行业中接合点可靠性分析过程中需要考量的数据。)

折叠 编辑本段 液体扩散系数

相对粘度,它的物理意义是溶液粘度与纯溶剂粘度的比值:ηr=η/η0。相对粘度是整个溶液的行为。

斯托克斯-爱因斯坦(Stocks-Einstein)方程是解释粘度与扩散系数之间关系的,D*VIS=kT/6*PI*R。假设粒子半径为R的刚球质点A在稀溶液B中扩散。这里面存在两个基本假设:1,球形(SPHERE),2,刚性体,这样运动基元的扩散运动就可以看成是独立的、与溶剂分子不相关(uncorrelated)的个体行为。SE方程的失效往往是由于这两个基本假设的失效:1,分子非球形,2,扩散基元与溶液分子存在耦合。前者的改变产生的影响有可能相对小一些。SE方程在温度远高于熔点的温度区间没问题,因为在高温区间,溶液中的分子可以看成无关联的,这时候溶液中基元的弛豫基本上是纯指数的。但是,最近大量的实验结果表明(例如刚刚出来的PRL文章),当温度低于一定的临界值,SE方程开始失效。至于这一临界温度,目前没有一个定论,有人认为可能是一个称为TA的温度(对于大多数液体在这个温度下液体弛豫时间可能达到10_-7秒左右),也有最近PRL文章认为在高于液相温度几百度的温度上。无论如何,SE方程的失效都是由于溶液中原子或分子之间存在着关联,从而运动有可能变为COOPERATIVE或者COLLECTIVE的方式。

折叠 编辑本段 气体扩散系数

挥发性液体之气体扩散系数可藉由Winklemann's method来检测,在有限内径的垂直毛细管中保持固定的温度和经过毛细管顶部的空气流量,可确定液体表面的分子扩散到气体中的蒸气分压)。

已知质传速率:

D = 扩散速率 (m2/s); CA= A物质于界面间的饱和浓度 (kmol/m3);L =质传有效距离(mm);CBm=蒸气的对数平均莫耳浓度 (kmol/m3);CT = 总莫耳浓度=CA+CBm (kmol/m3)

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