Диффузия

Диффузия (лат. dіffusіo – таралу, жайылу) – нақтылы дене бөлшектерінің жылулық қозгалыстарга ұшырай отырып, сол дене конңентрациясының селдір аудандарына қарай жылжуы;молекулалардың жылулық қозғалысы салдарынан шеқаралас орналасқан әр түрлі заттардың бір-біріне өту құбылысы. Диффузия дененің бүкіл көлеміндегі  
концентрациямөлшерінің бірте-бірте теңелуін, сөйтіп оның бірқалыпты сипат алуын қамтамасыз етеді. Кейбір денелердің өте шағын бөлшектері ғана емес (атомдар,молекулалар, иондар), біршама ірі түйіршіктері де диффузиялық қасиетті иемденуі мүмкін.

Диффузия жылдамдығы температураға тікелей байланысты, алайда бұл процесс газдарда  
өте тез, сүйықтарда одан гөрі баяу, ал қатты заттарда өте баяу өтеді.

Диффузия құбылысы барлық агрегаттық күйде, диффузияланатын заттың сол ортадағы шоғырлануы теңелгенге дейін жүре береді. Газ немесе сұйықтың молекулаларының бір орыннан екінші орынға ауысуы арқылы өз ішінде диффузиялануы өздік диффузия деп аталады. Диффузияның өту шапшаңдығы — диффузияланатын заттың тегіне және оның қандай жағдайда болуына байланысты анықталатын шама — диффузия коэффициентімен сипатталады. Диффузия коэффициентінің халықаралық бірліктер жүйесіндегі өлшеу бірлігі — м²/сек. Диффузия құбылысы табиғатта маңызды роль атқарады: атмосфераның жер бетіне жақын орналасқан қабаттарындағы ауа құрамының біркелкі болуына ықпал етіп, өсімдіктердің дұрыс қоректенуіне жағдай туғызады.

Диффузия - бір кезде игерілген және пайдаланылған инновацияның жаңа жағдайда, жаңа орындарда таралуы.

Ерітінділер—кем дегенде екі құрамдас бөліктерден тұратын құрамы өзгермелі гомогенді  
(біртекті) жүйелер. Ерітінділер газ тәрізді, сұйық және қатты болуы мүмкін. Олардың ішінде жан-жақты зерттелгені және жиі қолданылатыны сұйық, әсіресе, сулы ерітінділер. Сондықтан тұрмыста ерітінділер деп, көбінесе, сұйық күйдегі молекула-дисперстік жүйелерді айтады. Ерітінділердің құрамы құрамдас бөліктердің конценрацияларымен сипатталады. Ерітінділер қаныққан, қанықпаған және аса қаныққан деп бөлінеді. Берілген температурада жақсы еритін заттардың ерігіштігінің де шегі бар. Еріген заттың концентрациясы белгілі бір мөлшерден асқанда, оның артығы ерімей, ерітіндінің түбіне шөгеді. Бұл кезде ерітінді мен еріген зат тепе-теңдік жағдайда болады. Мұндай ерітінділерді қаныққан ерітінділер, ал концентрациялары қаныққан ерітіндінің концентрациясына дейінгі барлық ерітінділерді қанықпаған ерітінділер деп атайды. Кейбір еріткіштің белгілі бір мөлшерінде еритін заттың ерігіштігіне сәйкес мөлшерінен де артық мөлшерін ерітуге болады. Мұндай ерітінділер аса қаныққан ерітінділер деп аталады. Аса қаныққан ерітінділердің тұрақтылығы нашар болады. Кез келген сыртқы әсерден еріген заттың артық мөлшері ерітіндіден бөлініп, тұнбағатүседі. Сөйтіп аса қаныққан ерітінді жай қаныққан ерітіндіге айналады. Кей заттар ерігенде олардың молекулалары иондарға ыдырайды, яғни диссоциацияланады. Электр тогын өткізетін болғандықтан, ондай заттардың ерітінділерін электролит ерітінділері деп атайды. Оған көптеген қышқылдар мен негіздердің, әсіресе, тұздардың ерітінділері жатады. Керісінше, ерігенде молекулалары иондарға ыдырамайтын, сондықтан электр тогын өткізбейтін заттардың ерітінділері бейэлектролиттердің ерітінділері деп аталады. Полимерлердің ерітінділері ерітінділердің үлкен тобын құрайды. Ерітінділердің бетіндегі бу қысымы және оның қату температурасы таза еріткіштікке қарағанда төмендеу, ал қайнау температурасы жоғарылау болады. Сонымен қатар ерітінділерде осмос қысымы байқалады.  Ерітінділердің бұл қасиеттерінің барлығы тек еріген заттың молекулалар санына ғана тәуелді. Олардың өзгерістері Вант Гофф және 

Рауль  заңдарымен сипатталады. Мысалы, ацетонның, кез келген эфирдің немесе спирттің 

судағы концентрациялары бірдей ерітінділерінің осмос және бу қысымдарының салыстырмалы төмендеулері, қату температураларының төмендеуі, ал қайнау температураларының жоғарылауы бірдей болады. Бұдан кейбір ғалымдар ерітінді түзілгенде еріткіш пен еріген зат арасында ешқандай әрекеттесулер болмайды, олар тек араласады деген қорытындыға келген. Сондықтан бұл қасиеттер ерітінділердің физикалық теориясына тәжірибелік негіз болған. Идеал газдар сияқты молекулаларының арасында ешқандай әсерлесулер болмайтын, дәлірек айтқанда, мейлінше аз болатын ерітінділер идеал ерітінділер, ал қалғандарын реал ерітінділер деп атайды. Күшті электролиттердің ерітінділерінің кейбір қасиеттері сұйылтылған ерітінділердің қасиеттерін сипаттайтын заңдылықтарға бағынбайды. Олардың біраз қасиеттері Дебай мен Гюккельдің “күшті электролиттер теориясымен” сипатталады. Сонымен қатар ерітінділер түзілгенде жылу бөлінуі, жүйе түсінің құрамдас ебөліктер түсінен өзгешелігі және ерітінділер көлемінің құрамдас бөліктер көлемінің қосындысына қарағанда кемуі еріген зат пен еріткіш арасында химиялық әрекеттесулер болатынын көрсетеді. Кейде олардың арасындағы байланыстың беріктігі соншалық, ерітінділерді суытқанда еріткіштің біраз мөлшері еріген затпен бірге кристалданады. Оларды жалпы сольваттар, ал еріткіш су болғанда кристаллогидраттар деп атайды. Бұл қасиеттер ерітінділердің химиялық теориясына тәжірибелік негіз болды.

Болат қорыту үрдісінің кинетикасы 
 
Химиялық құрамы белгілі болат алу үшін физика–химиялық үрдістің термодинамикалық сыйпаттамаларымен бірге оның кинетикалық сыйпаттамалары керек. Химиялық реакциялар жылдамдықтарының өзгеру заңдылықтарын білу өте маңызды. 
 
Болат қорыту үрдісінің реакциялары негізінен араласымды сұйық ортада жоғары температуралығымен (балқыманы шөмішке ағызардағы температурасы 1600–1650°), гетерогендігімен (реагенттер түрлі фазадан) және бір мезгілде өтуімен ерекшеленеді. 
 
Болат қорыту үрдісінде орын алатын реакцияларды үш кезеңнен тұрады деуге болады [4]: 
 
1) реакциялық зонаға реагенттерді жеткізу; 
 
2) химиялық реакцияның өтуі; 
 
3) реакциялық зонадан өнімдерді әкету. 
 
Химиялық реакцияның өтуі негізінен жылдам, сондықтан үрдіс жылдамдығы не реагенттерді жеткізу жылдамдығымен, не өнімдерді әкету жылдамдығымен анықталады. 
 
Реакциялық зонаға реагенттерді жеткізуді қарастырғанда, элементтің металдағы немесе қождағы диффузия жылдамдығын, элементтің фаза аралық шекарадан өтуін және балқыманың араласуына әсер ететін факторларды ескерген жөн. 
 
Химиялық реакцияның жылдамдығы. Гомогенді 
 
 
 (2.24) 
 
 
реакцияның жылдамдығын әсер етуші массалар заңы бойынша мына теңдеумен анықтауға болады [5] 
 
 
 (2.25) 
 
 
мұндағы  ,   – компоненттердің концентрациясы (активтілігі); 
 
m,n – стехиометрикалық коэффициенттер немесе компоненттердің мольдік саны; 
 
k – компоненттер концентрациясы (активтілігі) бірге тең болғандағы реакция жылдамдығының константасы. 
 
 
Нағыз жылдамдық константасы реагенттер концентрациясына тәуелді емес, ол заттың табиғатын, үрдіс температурасын және т.б. сыртқы факторлар әсерін ескеретін реакцияның кинетикалық сыйпаттамасы болып табылады. 
 
Жылдамдық константасының температураға тәуелділігі Аррениус теңдеуі арқылы анықталады 
 
 
k = k₀e ^—E/RT (2.26) 
 
 
мұндағы k₀ – экспоненциал алдындағы көбейткіш; 
 
E – реакцияны активтендіру энергиясы. 
 
 
Реакцияны активтендіру энергиясы зат бөлшектері (ион, атом, молекула) энергиясының орташа деңгейінен жоғары, үрдістің орын алуы үшін керекті қосымша энергия. 
 
Жалпы жағдайда болат қорыту реакциялары сияқты көп сатылы үрдістің жылдамдығы, әр сатының жылдамдығымен анықталады 
 
 
u_å = 1/(1/ +1/ +1/ +…) (2.27) 
 
 
мұндағы u_å – үрдістің жалпы жылдамдығы; 
 
u₁, u₂, u₃ және т.б. – жеке сатылардың жылдамдығы. 
 
 
Айталық бір сатының жылдамдығы басқалардан өте төмен. Онда үрдістің жылдамдығы, осы ең ақырын жүретін сатының жылдамдығымен анықталады. 
 
Болат қорыту реакцияларының жылдамдығы диффузия жылдамдығымен де анықталады, әсіресе болат қорыту агрегатында балқыма аз қозғалмалы болғанда. Фик заңы бойынша заттың диффузиялық ағыны концентрация градиентіне тура пропорционал 
 
 
, (2.28) 
 
 
мұндағы   – заттың диффузиялық ағыны; 
 
 – диффузия коэффициенті; 
 
∆С – зат концентрациясының градиенті. 
 
 
Сұйықтың диффузиялық коэффициенті температураға, сұйық тұтқырлығына және диффузиядағы бөлшектің өлшеміне байланысты болып, Стокс – Эйнштейн теңдеуі бойынша анықталады 
 
 
 (2.29) 
 
 
мұндағы N – Авогадро саны; 
 
k – Больцман тұрақтысы; 
 
 – сұйықтың динамикалық тұтқырлығы; 
 
r – диффузиядағы бөлшек радиусы. 
 
Көпшілік жағдайда болат қорыту астауы фазалық бөліну беті әжептәуір үлкен және жаңа фазаның түзілу үрдісі жеңілдеу келетін жүйе болып табылады. Металл – шеген, металл – газ көпіршігі, металл – металл емес кірінді және т.б. бөліну беті жаңа фазаның түзілуін жеделдетеді. Балқыманы оттегімен үрлеу орын алғанда, үрдіс жылдамдығы негізінен массажылжым арқылы анықталады. 
 
Қазіргі қолда бар реакция жылдамдығы константысының өзгеру заңдылықтары мен диффузия коэффициенті туралы деректер жетімсіз. 
 
Болат қорытудың теориялық қағидалары мен өндірістік деректер элементтердің тотығу реакциясының кинетикасында мынадай заңдылықты тұжырымдауға негіз болады: элементтердің жалпы тотығу жылдамдығы оттегінің балқымаға ену жылдамдығына тура пропорционал  
 
 
υ_å =  (2.30) 
 
 
мұндағы k – пропорционалдық коэффиценті; 
 
J  – оттегінің қарқындылығы. 
 
 
Қорыта айтқанда, бірнеше сатыдан тұратын күрделі гетерогенді болат алу үрдісінің жылдамдығы, химиялық реакцияның жылдамдығымен емес, үрдістің ең ақырын жүретін сатысының жылдамдылығымен анықталады. Демек реакциялардың жылдамдығы реакциялық зонаға реагенттерді жеткізу мен одан өнімді әкетудің диффузиялық үрдістерімен анықталады. 
 
Реагенттерді реакциялық зонаға жеткізу және реакция өнімдерін әкетуде, фазалар жанасу бетінің үлкен, фазалар тұтқырлығының және фаза аралық кедергінің аз болуының маңызы зор. 
 
Егер фазалар жақсы араласатын болса, онда орын алатын реакциялар турбуленттік диффузия әсерінен үдейтін болады. Конвертерлік үрдісте турбуленттік диффузия коэффициенті жоғары. Оттегімен үрлеу барысында металл мен қож көптеген тамшыларға бөлініп, фазалардың жанасу беті ұлғайып, соның әсерінен реакциялардың жылдамдығы артып, СО көпіршіктерінің әсерінен газметаллқож эмульсиясы түзіліп, беттік құбылыстардың рөлі артады.