Коефіцієнт дифузії - куди і скільки

Літо! Сонце, тепло, в повітрі запах свіжоскошеної трави. Трава он як далеко звідси, а запах відчувається. Це вже фізика, подібне явище називається дифузією. І визначається воно як проникнення частинок дотичних речовин одна в одну. Наприклад, як зараз, трава стикається з повітрям, і запах від скошеної трави поширюється по повітрю далеко від місця косовиці. А характеризується подібний процес зазвичай такий завбільшки, як коефіцієнт дифузії.

Можна сказати, що все, що відбувається навколо нас багато в чому пов`язано з процесами взаємопроникнення. Завдяки такому явищу ми навіть живемо. А що тут дивного? Проникнення кисню або поживних речовин у кров - це і є сама справжня дифузія, одна речовина проникає в інше. Поширена дифузія в природі набагато ширше, ніж нам здається. Подібне явище не є чимось екзотичним, а навпаки, досить широко представлено в навколишньому світі. Навіть те, що видихається людиною повітря не скупчується навколо, а розсіюється в просторі, теж обумовлено дифузією.

Відбуватися взаємопроникнення може в самих різних тілах - рідких, газоподібних, твердих. Його причиною служить хаотичний рух молекул речовини. До речі, таке явище, як дифузія вважається в молекулярно-кінетичної теорії одним з факторів, що підтверджують її. Так от, повертаючись до агрегатним станом тіла: швидкість проникнення речовини залежить від його агрегатного стану і від такої величини, як коефіцієнт дифузії.

Що ж це за таємниче поняття? Так називається кількісна характеристика швидкості перенесення молекул однієї речовини в яке-небудь інше. Коефіцієнт дифузії, формула якого досить специфічна, дозволяє провести оцінку кількості речовини, що пройшов через одиницю площі (квадратний метр) за одиницю часу (секунду).

На практиці встановлено, що в газах взаємне проникнення відбувається з найбільшою швидкістю, а в твердих тілах швидкість проникнення мінімальна. На коефіцієнт дифузії впливають температура тіла і взаємна концентрація знаходяться поряд речовин. З ростом температури швидкість взаємопроникнення збільшується, із зростанням концентрації речовини - теж.

Таким чином, явище взаємопроникнення обумовлено так званим градієнтом концентрації або градієнтом температури. За типом дифузія поділяється на вільну і вимушену. Вимушена виникає під впливом зовнішніх сил. Залежно від їх виду вимушену дифузію визначають як термо-, електро-, баро і висхідну.

Дифузія широко використовується в техніці. Один з найтиповіших прикладів - дифузійна зварювання. Суть подібної технології проста: з`єднують два різних тіла (нехай це будуть два метали), а потім піддають їх впливу тиску і температури. Остання за своєю величиною менше, ніж температура плавлення речовин.

У підсумку виходить з`єднання двох різнорідних матеріалів. Така технологія широко застосовується в приладобудуванні і електронної промисловості, при виготовленні великогабаритних деталей складної форми, в дослідному і малосерійному виробництві. Подібна зварювання може проводитися в різних умовах, аж до умов вакууму, все визначається конкретними вимогами, що пред`являються до готового виробу.

Іншим, не менш поширеним, використанням явища дифузії є його застосування для отримання напівпровідникових структур. Одна з технологій створення р-n переходів заснована на явищі взаємопроникнення. Під впливом високих температур, що наближаються до температури плавлення, в кристалічній структурі отримують області з потрібною концентрацією домішок.

Розгляд поняття «коефіцієнт дифузії» дозволило переконатися в надзвичайно широкому поширенні явища взаємопроникнення речовин у природі, а також у різноманітних варіантах його використання в техніці.