Determinarea coeficientului de difuziune a oxigenului in pb topit

DETERMINAREA COEFICIENTULUI DE DIFUZIUNE A OXIGENULUI IN Pb TOPIT

I. Generalitati

1. Difuzia si mecanismul ei.

Difuzia in materialele metalice lichide sau solide are un rol fundamental atat in procesele de extragere si purificare a metalelor cat si in tehnologiile de prelucrare.

Numeroase procedee metalurgice sunt o directa aplicare a fenomenelor de difuziune in stare solida: tratamentele termochimice, recoacerile de omogenizare, precipitarea fazelor secundare in aliaje, sinterizarea pieselor produse in metalurgia pulberilor,etc.

Transportul de masa difuziv se realizeaza prin deplasarile atomilor si ca urmare, difuzia in stare solida permite sa se obtina informatii asupra agitatiei termice a atomilor in reteaua cristalina si a imperfectiunilor structurale prezente in retea, imperfectiuni care influenteaza numeroase proprietati ale metalelor si aliajelor.

Transportul de masa difuziv este descris cantitativ la nivel microscopic de legile lui Fick, analoage legilor lui Fourier pentru transport termic.

Coeficientul de difuziune D_i al unei particule din componentul i aflat in amestec sau in solutie intr-un solvent este definit prin legea intaia a lui Fick.

j_i= -D_i gradC sau pentru directia x :

j_ix=-D_i , unde:

j este fluxul sau curentul de difuziune care trec prin unitatea de suprafata in unitatea de timp.

C_i este concentratia componentului i (masurat in aceleasi unitati ca si j )

Coeficientul de difuziune are dimensiunile [L²t^-1] de obicei centimetri patrati pe secunda.

Daca componentul i devine identic cu solventul, procesul este denumit autodifuzie si poate fi observat numai daca identitatea particulelor difuzante poate fi recunoscuta, de exemplu prin utilizarea izotopilor radioactivi sau stabili, coeficientul de autodifuzie se noteaza cu D.

Modificarea concentratiei in timp este descrisa de legea a doua a lui Fick.

=d_iv (D_i, grad C_i)

sau pentru difuzia in directie x:

iar pentru D independent de concentratie:

Valoarea coeficientilor de difuziune este influentata de temperatura, de natura elementului dizolvat si a solventului, de concentratia in solutie si de prezenta imperfectiunilor in reteaua cristalina (vacante, dislocatii, limite de graunte). In metalele si aliajele solide coeficientii de difuziune au valori de ordinul 10^-10 cm²/s, in timp ce in metalele lichide valorile sunt de ordinul 10^-5 cm²/s.

In rezolvarea practica a problemelor de difuziune este necesar sa cunoastem valorile coeficientilor de difuziune, care sunt functie de concentratie si temperatura.

Dependenta de temperatura a coeficientilor de difuzie in lichide poate fi exprimata prin ecuatia:

D=D_o e^-Ed/RT in care:

D₀-coeficientul de difuzie e^d=0 iar E_d este energia de activare a difuziei.

Valorile lui D₀ si E_d pentru unii componenti in tabele 2.4 (teoria proceselor metalurgice pag.36).

Determinarea coeficientilor de difuzie se poate face prin mai multe metode cum este cea pe baza ecuatiilor difuziei stabilite pentru mediile finite.

Aceasta metoda are la baza determinarea concentratiei speciei difuzante functie de timp.

In ultimul timp de aplica o metoda potentiometrica de determinare a coeficientilor de difuzie in medii finite. Metoda are la baza determinarea variatiei fortei electromotoare in timp, ca urmare a regimului nestationar al difuziei intr-o coloana de metal care este in contact la partea inferioara cu un electrolit solid.

II. Descrierea lucrarii

Pentru determinarea coeficientului de difuzie a oxigenului in plumb lichid se foloseste o instalatie speciala denumita: 'Celula galvanica pentru masurarea coeficientului de difuzie ai oxigenului in plumb lichid.'

Schema instalatiei de principiu a acestei instalatii este data in figura.

Partile componente ale instalatiei sunt:

a)     cilindru exterior

b)     tub de cuart

c)     electrolit solid (ZrO₂+CaO)

d)     conductor din constantan argintat pe electrolit.

e)     Conductor din Al+ZnO.

f)      Tija pentru insuflat argon.

g)     Termometru.

h)     Milivoltmetru.

i)      Nichel+oxid de nichel.

j)      Plumb.

Incalzirea instalatiei in vederea topirii plumbului se face electric, printr-o rezistenta electrica aflata in jurul tubului de cuart, alimentata de la tensiunea de 220V.

h e

f

b

g

d

a

.. .. ... .. .. . . . . . . . . . .. .. .. . . .

. .. . .. .. . .. .. .. .. ..

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . .. . .. .

. .. .. .. .. . . . . .

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . i

. . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . .

.. .. . .. . .. . .. . . .

... . . . . . . . .

. . . . ........ ... . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .. . . . . . . . j

III. Mod de lucru

-Se introduc bucati mici de plumb in tubul de cuart, si se va masura inaltimea coloanei de plumb.

-Se conecteaza instalatia la tensiunea de alimentare 220V.

-Se urmareste indicatia termometrului, urmarindu-se sa se obtina o temperatura in jur de 400sC.

-In aceste conditii se va urmari indicatia aparatului de masura (E).

In aceste conditii corelatia dintre tensiunea electromotoare aparuta si concentratia oxigenului este data de relatia:

iar solutia legii a doua a lui Fick este:

in care:

F-constanta lui Faraday;

Z-valenta speciei difuzate;

C₀-concentratia initiala a O₂ in plumb lichid;

C₁-concentratia oxigenului la partea inferioara a coloanei de plumb;

C_A-concentratia oxigenului in plumbul lichid in echilibru cu gazul absorbant.

D-coeficientul de difuzie al O₂ in plumb lichid;

l-lungimea coloanei de plumb.

Pentru determinarea concentratiei unei specii difuzante la o anumita distanta x fata de centrul mediului (pentru mediul plan, sferic si cilindric) se pot utiliza valorile raportului , functie de si x/l, date in tabelul de mai jos:

Observatii.

-Dupa ce termometrul indica temperatura de 100sC, se decupleaza instalatia de la retea un timp de circa 10 minute in scopul uniformizarii temperaturii catre plumb, dupa care se cupleaza din nou la retea.

-Se va avea in vedere faptul ca dupa temperatura de 550sC plumbul intra in stare de vapori.