3.6. Диффузия газа в твердых телах

Газ, растворенный в твердом теле, может перемещаться, т. е. диффундировать из области, где его концентрация больше, в область, где она меньше. Таким образом, внутри твердого тела возникает поток газа, пропорциональный разности концентраций (точнее, градиенту концентрации) в данном направлении. Диффузионный поток через единицу поверхности в направлении максимального градиента концентрации определяется законом Фика, который использовался для описания газофазной диффузии:

Здесь D — коэффициент диффузии газа в данном материале, nr — концентрация газа внутри материала, x — расстояние от поверхности.

Коэффициент диффузии газа экспоненциально зависит от температуры материала:

(единицы: см2•с-1, см2•с-1, ккал•моль-1•К-1, К). В формуле(3.57) На.д — теплота активации диффузии, D0— коэффициент пропорциональности (равный коэффициенту диффузии при Тs→∞), Тs — температура твердого тела, Rтепл = 2•10-3ккал-моль-1-К-1. На.д и D0 — вообще постоянные величины и зависят от свойств газа и характеристик поглощающего материала. Величина На.д характеризует энергию, необходимую для того, чтобы частицы газа могли преодолеть сопротивление перемещению в материале твердого тела. Чем меньше эта энергия, тем интенсивнее диффузия газа при данной температуре. Например, в твердых стеклах На.д для водорода в 2 раза больше, чем для гелия, а для азота и кислорода даже в 6 раз больше, чем для гелия. Отсюда следует, что гелий должен лучше диффундировать, чем водород, а водород — лучше, чем кислород и азот. Что касается металлов, то водород, например, лучше диффундирует в железе и никеле, чем в нержавеющей стали; кислород в железе диффундирует хуже, чем водород.

На фиг. 3.20 представлена зависимость коэффициента диффузии D от температуры для некоторых газов в различных металлах и стеклах. В металлах водород диффундирует легче, чем другие двухатомные газы. Представляет интерес диффузия водорода в палладии, происходящая довольно интенсивно при умеренных температурах. Следует также отметить, что диффузия таких газов, как кислород и азот, начинается лишь при относительно высоких температурах.

В стеклах диффузия газов происходит вообще хуже, чем в металлах.

В табл. 313 для примера приведены ориентировочные значения На.д и D0 для гелия в плавленом кварце (100% SiO2), а в табл. 3 14 — величины На.д для некоторых газов и стекол. Видно, что величины На.д и D0 зависят от температуры.