background image

Rozwiązania równań Ficka

jednokierunkowych – czyli tylko jedna zmienna położenia x

I równanie:

II równanie:

Gdy D nie zależy od koncentracji

x

)

x

(

c

D

-

)

x

(

J

=

2

2

x

c

D

t

c

=

W rzeczywistości

założenie, że 

współczynnik dyfuzji nie zależy od stężenia

dyfundującej 

substancji w jakimś materiale jest na ogół prawdziwe 

tylko dla odpowiednio niskich 

stężeń

. Jak niskich – zależy to od dyfundującej substancji i materiału.

Dyfuzja w stanie stacjonarnym

Stan stacjonarny – to stan układu, w którym stężenie dyfundującej substancji

nie zmienia się z czasem, chociaż stężenie to nie jest 
jednorodne w objętości materiału. 

1. W rzeczywistych układach fizycznych, zwłaszcza składających się z materiałów stałych, 

stan stacjonarny dyfuzji jest raczej rzadko spotykany. 

2. Najczęściej dotyczy on sytuacji, gdy zachodzi dyfuzja jakiejś substancji ze środowiska ciekłego 

lub gazowego do takiego samego środowiska poprzez przegrodę wykonaną z jakiegoś stałego 
materiału.

3. Jeśli po obu stronach przegrody (najczęściej jest to cienka płytka lub membrana) stężenia 

dyfundującej substancji są różne ale stałe w czasie, to po pewnym czasie w poprzek 
membrany ustala się stacjonarny rozkład stężenia, które zmienia się w sposób ciągły od 
większego stężenia na jednej powierzchni do mniejszego stężenia na drugiej.

4. Ponieważ w stanie stacjonarnym gradient stężenia dyfundującej substancji jest stały w czasie, 

to także stały w czasie jest strumień dyfundującej substancji.

W stanie stacjonarnym:

Zatem, z drugiego równania Ficka wynika, że:

0

t

c =

0

x

c

D

2

2

=

background image

Dyfuzja przez płytkę materiału w stanie stacjonarnym

Przypadek, gdy współczynnik dyfuzji nie zależy od koncentracji:  D(c) = const

Rozwiązaniem jest równanie:    

c(x) = a + bx

gdzie a i b są dowolnymi stałymi.

Aby wyznaczyć wartości a i b dla konkretnej sytuacji
należy skorzystać z warunków brzegowych, które w tym
przypadku są następujące:

c

A

(0) = c

1

= const

oraz

c

A

(d) = c

2

= const

d – grubość płytki

Zatem:

Stężenie substancji A w płytce dane jest zatem wzorem:

Strumień dyfundującej substancji A można obliczyć z I równania Ficka:

0

x

c

0

x

c

D

2

2

2

2

=

=

Co można sprawdzić przez podstawienie

d

c

c

b

c

bd

c

bd

a

)

d

(

c

c

a

)

0

(

c

1

2

2

1

A

1

A

=

=

+

=

+

=

=

=

x

d

c

c

c

)

x

(

c

1

2

1

A

+

=

Większe 
stężenie A

Mniejsze 
stężenie A

d

c

c

D

d

c

c

D

x

)

x

(

c

D

J

2

1

1

2

A

A

=

=

=

Dyfuzja w stanie stacjonarnym 

przez płytkę składającą się z dwóch różnych materiałów

Materiał 1     Materiał 2

grubość

d

1

d

2

współczynnik

D

1

=const   ≠ D

2

=const

dyfuzji

Warunki brzegowe:

c(0)=c

1

oraz    c(d

1

+d

2

)=c

2

Na granicy między obydwoma  materiałami stałe 
stężenie dyfundującej substancji wynosi 

c

12

i jest 

ono a priori nie znane. Jego wartość należy obliczyć.

Otrzymane poprzednio rozwiązania można 
zastosować do każdego z materiałów osobno:

Strumienie dyfundującej substancji muszą być 
równe w obu materiałach:

Rysunek przedstawia poglądowo 
sytuację, gdy D

1

> D

2

1

12

1

1

1

d

c

c

D

J

=

2

2

12

2

2

d

c

c

D

J

=

2

1

J

J

=

Czyli:

A po przekształceniach:

2

2

12

2

1

12

1

1

d

c

c

D

d

c

c

D

=

1

2

2

1

2

1

2

1

2

1

12

d

D

d

D

c

d

D

c

d

D

c

+

+

=

background image

Dyfuzja w stanach niestacjonarnych (D = const)

Dyfuzja z tzw. źródła chwilowego

(nieskończenie cienkiej warstwy) do dwóch półnieskończonych

stykających się takich samych materiałów, tzw. układ „kanapkowy” (ang. sandwich) lub do 
jednego półnieskończonego ciała, tzw. dyfuzja z cienkiej warstwy.

Rozwiązania:

gdzie: 

M

– ilość substancji A przypadającej na jednostkę powierzchni, znajdująca się w chwili

początkowej (czyli dla t = 0) na powierzchni materiału B lub między dwoma 
materiałami B (czyli dla x = 0).

⎟⎟

⎜⎜

=

Dt

4

x

exp

Dt

2

/

M

)

t

,

x

(

c

2

π

⎟⎟

⎜⎜

=

Dt

4

x

exp

Dt

/

M

)

t

,

x

(

c

2

π

Dyfuzja w stanach niestacjonarnych (D = const)

Dyfuzja z tzw. źródła chwilowego

.

⎟⎟

⎜⎜

=

Dt

4

x

exp

Dt

2

/

M

)

t

,

x

(

c

2

π

⎟⎟

⎜⎜

=

Dt

4

x

exp

Dt

/

M

)

t

,

x

(

c

2

π

Krzywa ta jest zwana:
krzywą Gaussa lub krzywą dzwonową.

background image

Dyfuzja w stanach niestacjonarnych (D = const)

Dyfuzja z tzw. źródła chwilowego (z cienkiej warstwy)

ważny aspekt praktyczny: wyznaczanie 

współczynnika dyfuzji na podstawie znajomości zależności (np. z eksperymentu) stężenia od 
odległości od powierzchni w układzie współrzędnych ln(c) – x

2

dla pewnej chwili czasu t

⎟⎟

⎜⎜

=

Dt

4

x

exp

Dt

/

M

)

t

,

x

(

c

2

π

[ ]

2

x

Dt

4

1

Dt

/

M

ln

)

x

(

c

ln

=

π

Równanie ma postać ln(c) = a + b·x

2

W układzie ln(c) – x

2

zależność jest liniowa  

gdzie b = -tg

α

jest współczynnikiem nachylenia prostej

Po wyznaczeniu współczynnika nachylenia prostej 
używając np. metody regresji liniowej można 
obliczyć współczynnik dyfuzji:

α

tg

t

4

1

b

t

4

1

D

=

=

Dyfuzja w stanach niestacjonarnych (D = const)

Dyfuzja z tzw. źródła stałego

– stałe stężenie substancji dyfundującej na powierzchni (w praktyce 

dotyczy to tylko dyfuzji z fazy gazowej do ciała stałego) do  półnieskończonego ciała

Warunki początkowe i brzegowe:

c

s

= const – stężenie na powierzchni

c

0

– stężenie początkowe w materiale (dla t = 0)

c(x,t) – zależność stężenia dyfundującej substancji od x w materiale w jakiejś chwili t > 0

Rozwiązanie drugiego równania Ficka dla tego przypadku:

=

Dt

2

x

erf

c

c

c

)

t

,

x

(

c

s

0

s

funkcja 

błędu  

background image

Dyfuzja w stanach niestacjonarnych (D = const)

Dyfuzja z tzw. źródła stałego

1. 

Przypadek, gdy: c

0

= 0

– na początku stężenie dyfundującej substancji w materiale jest 

zerowe. Otrzymane rozwiązanie redukuje się do postaci:

To równanie – zwane równaniem absorpcji – opisuje wnikanie dyfundującej substancji z fazy 
gazowej do materiału stałego.

2. 

Przypadek, gdy c

0

> 0 i c

s

= 0

– na początku w materiale stałym jest pewne równomiernie 

rozłożone stężenie substancji dyfundującej, natomiast w gazie stężenie tej substancji 
utrzymywane jest na poziomie zero. Wówczas rozwiązanie redukuje się do postaci:

To równanie – zwane równaniem desorpcji – opisuje proces dyfuzji z ciała pólnieskończonego do 
otaczającej go fazy gazowej.

=

=

Dt

2

x

erfc

c

Dt

2

x

erf

1

c

)

t

,

x

(

c

s

s

odwrotna 

funkcja błędu  

=

Dt

2

x

erf

c

)

t

,

x

(

c

0

Funkcja błędu 

erf

i odwrotna funkcja błędu 

erfc

)

x

(

erf

1

)

x

(

erfc

dt

e

2

)

x

(

erf

x

0

t

2

π

background image

Dyfuzja w stanach niestacjonarnych (D = const)

Dyfuzja z tzw. źródła stałego

1. Przypadek absorpcji

– wnikanie dyfundującej 

substancji z fazy gazowej do wnętrza 
materiału stałego:

=

Dt

2

x

erfc

c

)

t

,

x

(

c

s

=

Dt

2

x

erf

c

)

t

,

x

(

c

0

2. Przypadek desorpcji

– substancja wydostaje 

się z materiału stałego do otaczającej fazy 
gazowej:

c

0

= 0 oraz c

s

≠ 0 = const

c

0

≠ 0 oraz c

s

= 0 =const

=

Dt

2

x

erf

c

c

c

)

t

,

x

(

c

s

0

s

Charakterystyczny zasięg dyfuzji

W dotychczasowych rozwiązaniach II równania Ficka:

dla źródła chwilowego (krzywa Gaussa):

dla źródła stałego (krzywa błędu):

wartość zmiennej położenia x jest dzielona przez tę samą wielkość:                 o wymiarze długości,
(występuje to także w innych rozwiązaniach równania Ficka)

która 

może

w związku z tym 

służyć jako miara zasięgu dyfuzji

.

Wielkość                lub tylko samo             nazywane jest

charakterystycznym zasięgiem (długością) dyfuzji

.

Charakterystyczny zasięg dyfuzji (gdy D = const)  jest  proporcjonalny do pierwiastka z czasu:

Zasięg dyfuzji    

~

=

Dt

2

x

erf

c

c

c

)

t

,

x

(

c

s

0

s

⎟⎟

⎜⎜

=

Dt

4

x

exp

Dt

/

M

)

t

,

x

(

c

2

π

Dt

2

Dt

2

Dt

t

background image

Dyfuzja w stanach niestacjonarnych (D = const)

Tzw. para dyfuzyjna 

– dwa takie same półnieskończone ciała stałe o różnej (w praktyce niedużej) 

zawartości substancji A połączone ze sobą.

c

0

– początkowe stężenie A w jednym materiale, w drugim początkowo wynosi zero

=

Dt

2

x

erfc

2

c

)

t

,

x

(

c

0

Rozwiązanie równania dyfuzji:

Wykres rozwiązania

Dyfuzja w stanach niestacjonarnych (D = const)

Dyfuzja z grubej warstwy do ciała pólnieskończonego

– warstwa o pewnej niezerowej grubości 

jakiegoś materiału, w którym rozpuszczona jest substancja A (w praktyce o niskim stężeniu) 
naniesiona jest na pólnieskończony taki sam materiał, w którym nie ma substancji A

c

0

– początkowe stężenie A w naniesionej warstwie, 

h  - grubość naniesionej warstwy

⎛ −

+

⎛ +

=

Dt

2

h

x

erf

Dt

2

h

x

erf

2

c

)

t

,

x

(

c

0

Rozwiązanie równania dyfuzji:

Wykres rozwiązania

background image

Dyfuzja w stanach niestacjonarnych (D = const)

Dyfuzja ze źródła stałego do ciała skończonego

Substancja A dyfunduje z fazy gazowej o stałym stężeniu c

s

do materiału, gdzie jej stężenie początkowe było 0.



+

+

=

=0

n

2

2

2

s

x

h

sin

Dt

h

)

1

n

2

(

exp

1

n

2

1

1

4

c

)

t

,

x

(

c

π

π

π

c

0

= 0 oraz c

s

≠ 0 = const

Rozwiązania II równania Ficka:

Dyfuzja w stanach niestacjonarnych (D = const)

Desorpcja z ciała skończonego do fazy gazowej

c

0

≠ 0 oraz c

s

= 0 =const

Substancja A desorbuje z materiału o początkowej koncentracji c

0

do fazy gazowej o stałej koncentracji zero.

=



+

+

=

0

n

2

2

2

0

x

h

sin

Dt

h

)

1

n

2

(

exp

1

n

2

1

4

c

)

t

,

x

(

c

π

π

π

Rozwiązania II równania Ficka:

background image

Funkcja opisująca początkowy rozkład niejednorodnego stężenia substancji A w materiale:

gdzie:

c

0

– średnia wartość stężenia

c

m

– amplituda zmian stężenia

L   - odległość, na której stężenie zmienia 

się od wartości minimalnej do maksimum

Dyfuzja w stanach niestacjonarnych (D = const)

Proces homogenizacji 

– w ciele nieskończonym, gdy początkowa niejednorodność rozkładu 

stężenia jest opisana funkcją cosinus.

Stężenie substancji A zmienia się w materiale, dążąc do ujednorodnienia wg. zależności:

gdzie:

jest czasem relaksacji 
procesu homogenizacji

)

L

x

cos(

c

c

)

0

t

,

x

(

c

m

0

π

+

=

=

Wykres zmian rozkładu 
stężenia z czasem
w procesie homogenizacji

)

t

exp(

)

L

x

cos(

c

c

)

t

,

x

(

c

m

0

τ

π

+

=

D

L

2

2

π

τ

=

W temperaturze 1000

o

C cienka płytka stalowa o grubości h = 0,5 mm jest:

• z jednej strony w kontakcie z atmosferą nawęglającą, która na powierzchni próbki daje stałą 

koncentrację węgla w czasie równą c

1

=1,4 % wagowego, 

• z drugiej strony w kontakcie z atmosferą odwęglającą, która na powierzchni próbki daje stałą 

koncentrację węgla w czasie równą c

2

=0,15% wagowego.

Pomiary współczynnika dyfuzji węgla w austenicie wykazały, że jest on zależny od stężenia 
węgla i przy jego stężeniu równym:

0,15 % wynosi D

1

=2,5·10

-7

cm

2

/s, 

a przy stężeniu równym:

1,4 % wynosi D

2

=7,7·10

-7

cm

2

/s.

W przybliżeniu zależność współczynnika dyfuzji węgla zależy od stężenia w sposób liniowy.
1. Wykreśl w sposób jakościowy przebieg stężenia węgla w poprzek płytki.
2. Oblicz wartość strumienia dyfuzji węgla przez płytkę wiedząc, że przy zawartości węgla w stali 

wynoszącej 0,8 % wagowych  w 10000

o

C w 1 m

3

jest 60 kg węgla.

Zadanie 1

Ad. 1.

I równanie Ficka:

Ponieważ J = const (gdyż stan stacjonarny), to:

x

c

D

J

=

h

x

2

0

x

1

x

c

D

x

c

D

=

=

=

1

3

10

5

2

10

7

7

7

7

0

2

1

,

,

,

x

/

c

x

/

c

D

D

x

h

x

=

=

=

=

Gradient stężenia na powierzchni o mniejszym stężeniu jest ok. 3,1 
razy większy od gradientu na powierzchni o większym stężeniu.

Jakościowy wykres zależności 
stężenia w poprzek płytki

background image

2. Oblicz wartość strumienia dyfuzji węgla przez płytkę wiedząc, że przy zawartości węgla w stali 

wynoszącej 0,8 % wagowych  w 10000

o

C w 1 m

3

jest 60 kg węgla.

Zadanie 1

Ad2.

Ponieważ współczynnik dyfuzji zależy w sposób          
liniowy od stężenia, to:

D = a + b·c

,

gdzie można obliczyć z układu równań:

D

1

= a + b·c

1

oraz     

D

2

= a + b·c

2

x

c

)

c

b

a

(

x

c

D

J

+

=

=

Gdzie 

d

– stała całkowania, którą należy wyznaczyć z warunków brzegowych

2

1

2

1

1

2

c

c

c

D

c

D

a

=

2

1

2

1

C

C

D

D

b

=

dc

)

c

b

a

(

dx

J

+

=

+

=

dc

)

c

b

a

(

dx

J

d

2

c

b

c

a

x

J

2

+

+

=

I równanie Ficka

Po wymnożeniu obu stron przez 

dx

Całkowanie obu stron równania

Wynik całkowania

2. Oblicz wartość strumienia dyfuzji węgla przez płytkę wiedząc, że przy zawartości węgla w stali 

wynoszącej 0,8 % wagowych  w 10000

o

C w 1 m

3

jest 60 kg węgla.

Zadanie 1

Ad2. cd.      

D = a + b·c

,

gdzie:

2

1

2

1

C

C

D

D

b

=

d

2

c

b

c

a

x

J

2

+

+

=

Wartość 

d

można wyznaczyć 

z powyższego równania dla 

x = 0

d

2

c

b

c

a

0

J

2

1

1

+

+

=

)

c

2

b

c

a

(

d

2

1

1

+

=

Wartość można wyznaczyć z tego samego 
równania dla 

x = h

i wykorzystując otrzymaną zależność na 

d

:

2

c

b

c

a

2

c

b

c

a

h

J

2

1

1

2

2

2

+

=

(

)

(

)

h

C

C

2

b

C

C

a

J

2

2

2

1

2

1

+

=

Wykazano poprzednio, że:

Po wstawieniu za 

a

b

wyliczonych poprzednio wartości oraz dokonując przekształceń 

otrzymuje się wartość strumienia 

J:

h

C

C

2

D

D

J

2

1

2

1

+

=

2

1

2

1

1

2

c

c

c

D

c

D

a

=

background image

2. Oblicz wartość strumienia dyfuzji węgla przez płytkę wiedząc, że przy zawartości węgla w stali 

wynoszącej 0,8 % wagowych  w 10000

o

C w 1 m

3

jest 60 kg węgla.

Zadanie 1

Ad2. cd.    Wykazano, że strumień węgla dyfundujący przez płytkę wynosi:

Do tego wzoru należy wprowadzić wartości podane w zadaniu, ale najpierw należy procenty 
wagowe stężenia węgla zamienić na gęstość węgla wyrażoną w kg/m

3

, korzystając z podanej 

informacji, że przy 0,8 % wagowego węgla w stali jego gęstość wynosi 60 kg/m

3

.

h

C

C

2

D

D

J

2

1

2

1

+

=

]

m

/

kg

[

105

]

m

/

kg

[

60

]

wag

[%

8

,

0

]

wag

[%

4

,

1

]

m

/

kg

[

60

]

wag

[%

8

,

0

]

wag

[%

c

]

m

/

kg

[

c

3

3

3

1

3

1

=

=

=

]

m

/

kg

[

2

,

11

]

m

/

kg

[

60

]

wag

[%

8

,

0

]

wag

[%

15

,

0

]

m

/

kg

[

60

]

wag

[%

8

,

0

]

wag

[%

c

]

m

/

kg

[

c

3

3

3

2

3

2

=

=

=

]

s

/

m

/

kg

[

10

6

,

9

]

m

[

0005

,

0

]

m

/

kg

[

2

,

11

105

2

]

s

/

m

[

10

5

,

2

10

7

,

7

J

2

6

3

2

11

11

+

=

]

s

/

m

/

mg

[

6

,

9

J

2

Stal niskowęglowa o zawartości 0,1% węgla jest nawęglana w temperaturze 900

o

C w atmosferze 

pozwalającej na wytworzenie na powierzchni próbki stałego stężenia węgla o wartości 1% 
(tzw. potencjał węglowy atmosfery).
1. Określ głębokość nawęglonej warstwy po 30 min zakładając, że zawartość węgla w tej 
warstwie stali musi zawierać przynajmniej 0,4 %. Przyjmij, że współczynnik dyfuzji węgla w stali 
austenitycznej w temperaturze 900

o

C wynosi ok. 1,7·10

-7

cm

2

/s. 

2. Wykreśl profil stężenia węgla w próbce po procesie nawęglania w tych warunkach.

Zadanie 2

Ad. 1:

x

0,4

– odległość od powierzchni,  

gdzie stężenie węgla wynosi 0,4 % wag.

Rozwiązanie II równania Ficka dla źródła stałego:

Po wstawieniu wartości danych z zadania:

=

Dt

2

x

erf

c

c

c

)

t

,

x

(

c

s

0

s



=

1800

10

7

,

1

2

x

erf

1

1

,

0

1

4

,

0

7

4

,

0

Rysunek roboczy do zadania

background image

Stal węglowa o zawartości 0,1% węgla jest nawęglana w temperaturze 900

o

C w atmosferze 

pozwalającej na wytworzenie na powierzchni próbki stałego stężenia węgla o wartości 1% (tzw. 
potencjał węglowy atmosfery).
1. Określ głębokość nawęglonej warstwy po 30 min zakładając, że zawartość węgla w tej 
warstwie stali musi zawierać przynajmniej 0,4 %. Przyjmij, że współczynnik dyfuzji węgla w stali 
austenitycznej wynosi ok. 1,7·10

-7

cm

2

/s.

Zadanie 2

Ad. 1, cd.:

69

0

1800

10

7

1

2

7

4

0

,

,

x

,

(

)

69

,

0

erf

67

,

0

Z tablicy wartości funkcji błędu wynika, że:

Zatem:



=

1800

10

7

,

1

2

x

erf

667

,

0

1

1

,

0

1

4

,

0

7

4

,

0

Głębokość warstwy nawęglonej wynosi:

m

240

mm

24

,

0

cm

024

,

0

x

4

,

0

μ

=

=

Tablica wartości funkcji błędu

Stal węglowa zawierająca 0,12 % wag. węgla jest nawęglana w temperaturze 930

o

C: 

1. Określ potencjał węglowy atmosfery nawęglającej, jaki jest potrzebny do tego, aby po 30 godz. 

nawęglania w odległości 1,5 mm od powierzchni stężenie węgla wynosiło co najmniej 0,45%. 
Przyjmij, że współczynnik dyfuzji węgla w stali austenitycznej w tej temperaturze nie zależy od 
stężenia węgla i wynosi ok. 2·10

-7

cm

2

/s.

Zadanie 3

Ad 1:

=

Dt

2

x

erf

c

c

c

)

t

,

x

(

c

s

0

s

Potencjał węglowy atmosfery powinien wynosić
co najmniej 1,22 % wag.

Tablica wartości funkcji błędu



=

108000

10

2

2

15

,

0

erf

c

12

,

0

c

45

,

0

7

s

s

(

)

53

,

0

510

,

0

erf

c

12

,

0

c

45

,

0

s

s

=

.

wag

%

22

,

1

c

s