ТЕОРИЯ сварочных процессов

Скорость химической реакции в равновесных условиях

Применительно к условиям сварки прогнозирование хода хими­ческих реакций для различных температур в условиях термодина­мического равновесия необходимо дополнить анализом скоростей этих реакций при конкретных температурах. Быстротечность сва­рочных операций обеспечивается химическими реакциями между металлом и средой, а также диффузионными процессами, особенно интенсивно развивающимися при высокотемпературном нагреве.

Скорости химических реакций и диффузионных процессов характеризуются изменением концентрации вещества во времени, т. е. изменением числа частиц в единице объема за единицу време­ни. Скорость химической реакции определяется числом появив­шихся новых или исчезнувших старых молекул в единице объема за единицу времени.

Число частиц в единице объема определяет при данной темпе­ратуре число столкновений и, следовательно, связано со скоро­стью химической реакции уравнением

&=—. (8.83)

At

где V - средняя скорость реакции; К - константа скорости; АС - изменение концентрации реагирующих молекул; t - время.

Так как концентрация молекул, вступающих в реакцию, уменьшается, а скорость химической реакции изменяется, то мгновенная скорость химической реакции представляет собой первую производную концентрации по времени:

v = K—. (8.84)

dt

При диффузионных процессах также происходит изменение концентрации одного вещества - диффузанта - вследствие его проникновения в среду, заполненную другим веществом. Изотер­мическая диффузия возникает вследствие появления градиента концентрации, и диффузия всегда направлена от области с боль­шей концентрацией к области с меньшей концентрацией.

Задачу о диффузии в газовой среде решают методами кинети­ческой теории газов, так как в этом случае не требуется энергии активации для проникновения одного газа в другой. Если диффу­зия происходит в конденсированных фазах (жидкой, твердой), то для перемещения частиц диффузанта требуется энергия актива­ции, так как в жидкости и кристалле частицы между собой связаны значительной энергией межатомного или межмолекулярного взаимодействия, когда находятся на малых расстояниях друг от друга. Скорость диффузии в конденсированных средах будет зна­чительно меньше, чем в газовой среде.

При рассмотрении перехода диффундирующих атомов через границу раздела двух фаз (например, из жидкой в твердую или на­оборот) необходимо учитывать коэффициент распределения, так как равновесные концентрации в разных фазах не будут равны между собой. Такой процесс называют гетеро диффузией.