Диффузия в темаллах и сплавах, страница 6

                                                                                      (7.24)

где  β – коэффициент массопередачи, пропорциональный D₁.

На поверхности происходит химическая реакция первого порядка со скоростью

                                                                                            (7.25)

В стационарном состоянии  сколько вещества подводится , стллько и реагирует, т.е.

                                                                                         (7.26)

Подставляя (7.24) и (7.25) в  (7.26) получим, что концентрация на поверхности (х = 0)

                                                                                        (7.27)

а скорость процесса

                                                                                                     (7.28)

Если медленным является подвод вещества к поверхности х = 0, то в этом случае β << k;  С¹ << C₀, тогда

                                                                                                (7.29)

Следовательно, скорость суммарного процесса определяется коэффициентом массопередачи или коэффициентом внешней диффузии, т.е. процесс контролируется внешней диффузией.

Если медленной является химическая реакция на поверхности  х = 0, то в этом случае k << β; С¹ ≈ С₀, тогда

                                                                                                (7.30) 

в этом случае скорость  суммарного процесса определяется скоростью химической реакции.

7.7.2. Кинетика удаления и поглощения газа жидким металлом

Реакция перехода атома А из растворенного состояния в металле в двухатомную молекулу в газе можно представить

Константа равновесия этой реакции

                                                                                                        (7.31)

где р_А – парциальное давление А₂ в газовой фазе; С_А² – концентрация А в растворе.

Температурную зависимость константы равновесия описывает уравнение Вант-Гоффа

                                                                            (7.32)

где ΔН⁰ – стандартное изменение теплосодержания системы, равное тепловому эффекту превращения, взятому с обратным знаком. При растворении газов в металлах тепло поглощается, поэтому ΔН > 0; для реакции перехода атома А из раствора в газ, напротив,  ΔН < 0, т.е. тепло выделяется.

Из уравнений (7.31) и (7.32) следует, что с уменьшением С_А необходимо уменьшать р_А, так как К – величина постоянная при данной температуре. Это можно добиться путем вакуумирования или добавления инертных газов. Кроте того, растворимость газов в металлах растет с температурой, поэтому простым нагревом удалить газ из металла нельзя. В общем случае растворимость подчиняется закону Сивертса: С_А ~ р_А.

На практике используют различные способы дегазации:

- нагрев или плавление в вакууме;

- нагрев или плавление в инертной или активной среде;

- изменения растворимости при охлаждении и фазовых превращений, вследствие образования избыточной фазы и ее удаления (раскисления) и др.

Процесс дегазации твердого металла является типичным гетерогенным процессом, скорость которого контролируется диффузией вскоре после начала процесса.

При дегазации жидкого металла процесс осложняется тем, что коэффициент диффузии в жидкости гораздо выше, а, кроме того, нельзя пренебрегать конвективным перемешиванием, возникающим в результате перемещения всей массы жидкости.

Плотность потока вещества, подходящего к поверхности в единицу времени, при учете конвективной диффузии будет в общем случае описываться  уравнением

                                                                      (7.33)

где α – скорость конвективного потока.

Второе уравнение Фика примет в этом случае вид

                                                                 (7.34)

Для расчетов чаще всего пользуются уравнением (7.33), предполагая, что по отношению к потоку молекулярной диффузии устанавливается стационарное состояние в некотором слое у поверхности толщиной Δ, так что