Bölüm 5: Yayınma (Difüzyon)

Transkript

1 Bölüm 5: Yayınma (ifüzyon) Yayınma nasıl gerçekleşir? İşlemdeki önemi nedir? Yayınma hızı bazı basit durumlar için nasıl tahmin edilir? Yayınma yapıya ve sıcaklığa nasıl bağlıdır? hapter 5 -

2 Yayınma (ifüzyon) iffusion - atomsal hareketlerle kütle t Mekanizmalar gazlarda & sıvılarda rastgele (Brownian) hareket katılarda boşluklara yayınma yada arayerlere yayınma hapter 5 -

3 Arayayınımı: Alaşımlarda, atomlar yüksek konsantrasyolu Bölgelerden düşük konsantrasyolu bölgelere göçederler. başlangıçta Yayınma (ifüzyon) Bir süre sonra Adapted from Figs. 5. and 5., allister & Rethwisch 8e. hapter 5-3

4 Kendi-yayınma: tek atomdan oluşan temel metallerde de, atomlar yer değiştirirler. Bazı atomlar işaretlenmiştir A B Yayınma (ifüzyon) Bir süre sonra A B hapter 5-4

5 Boşluk yayınımı: Yayınma Mekanizmaları atomlar boşluklarla yer değiştirir yeralan impürite atomları içinde geçerlidir yayınma hızı: -- boşluk sayısına ve -- aktivasyon enerjisine bağlıdır. Artan geçen zaman hapter 5-5

6 Yayınma Mekanizmaları Arayer yayınımı küçük atomlar atom aralarından yayınırlar. Adapted from Fig. 5.3(b), allister & Rethwisch 8e. Boşluk yayınımından daha hızlı gerçekleşir. hapter 5-6

7 Yayınım Kullanılan işlemler Yüzey sertleştirme: -- Karbon atomları evsahibi demir atomlarının yüzeyinin üzerine yayınır. -- Yüzey sertleştirmesi uygulanmış çelik dişli örnek verilebilir. Adapted from chapter-opening photograph, hapter 5, allister & Rethwisch 8e. (ourtesy of Surface ivision, Midland-Ross.) Sonuç: atomlarının varlığı demiri (çeliği) daha sert yapar. hapter 5-7

8 Yayınım Kullanılan işlemler Fosfor Katkılı n- çeşit silisyum yarıiletkeni İşlem: 0.5 mm. P den zengin yüzey Si üzerine biriktirilir.. Isıtılır. silisyum 3. Sonuç: Katkılı yarıiletken bölgeleri bilgisayar çipinin büyütülmüş görüntüsü açık kısımlar: Si atomları silisyum açık kısımlar: Al atomları Adapted from Figure 8.7, allister & Rethwisch 8e. hapter 5-8

9 Yayınım Yayınımın miktarını ve hızını nasıl tayin ederiz? J yayıayı molü (yada kütlesi) mol kg YAYINIM AKISI yada yüzey alan zaman cm s m s eneysel ölçülür Yüzey alanı bilinen ince bir film (membran) alınır Konsantrasyon gradyanı oluşturulur Atom veya molekülün membrandan ne kadar hızlı yayındığı ölçülür. J M At l A dm dt M = Yayınan kütle J zaman eğim hapter 5-9

10 Kararlı Yayınma Yayınma zaman bağlı değilse=kararlı yayınma Yayınma akısı konsantrasyon gradyanı d d ile doğru orantılı. Fick in Birinci Yayınma Kanunu d J d Eğer lineerse d d Yayınma katsayısı hapter 5-0

11 Örnek: Kimyasal Koruyucu Giydirme (KKG) Metilen klorid boya çözücü en çok kullanılan malzemesidir. İritan olmasının yanında cilt tarafından absorbe edilir. Boya çıkarma işleminde koruyucu eldiven giyilmelidir. Eğer bütil kauçuk eldiven (0.04 cm kalınlığında) kullanılacaksa, metil kloridin eldivenden yayınma akısı nedir? ata: Bütil kauçuğun yayınma katsayısı: = cm /s Yüzey konsantrasyonları: = 0.44 g/cm 3 = 0.0 g/cm 3 hapter 5 -

12 Örnek (devam) Çözüm lineer konsantrasyon gradyanı kabul edilir Boya çözücü eldiven t b 6 cilt J ata: - d d = cm /s = 0.44 g/cm 3 = 0.0 g/cm 3 = 0.04 cm J (0 0-8 cm (0.0 g/cm 0.44 g/cm /s) (0.04 cm) 3 3 ) g cm s hapter 5 -

13 Yayınma ve Sıcaklık Artan T ile yayınma katsayısı artar. o ep Q d R T o Q d R T = yayınma katsayısı [m /s] = sıcaklıkdan bağımsız katsayı [m /s] = yayınma için gereken aktivasyon enerjisi[j/mol or ev/atom] = gaz sabiti [8.34 J/mol-K] = mutlak sıcaklık [K] hapter 5-3

14 Yayınma ve Sıcaklık T ye üstel bağlılık gösterir. 0-8 T( ) (m /s) arayer >> yeralan 0-4 in -Fe in -Fe Al in Al Fe in -Fe Fe in -Fe K/T Adapted from Fig. 5.7, allister & Rethwisch 8e. (ate for Fig. 5.7 taken from E.A. Brandes and G.B. Brook (Ed.) Smithells Metals Reference Book, 7th ed., Butterworth-Heinemann, Oford, 99.) hapter 5-4

15 Örnek : 300º de u nun Si içinde yayınma katsayısı ve aktivasyon enerjisi; (300º) = m /s Q d = 4.5 kj/mol 350º deki yayınma katsayısını hesaplayınız? data dönüşümü ln sıcaklık = T /T ln ln ln 0 ln Qd R ln T ve Q R d ln T T ln 0 Qd R T hapter 5-5

16 Örnek (devam) ep Q R d T T T = = 573 K T = = 63 K (7.8 0 m /s) ep 4,500 J/mol 8.34 J/mol -K 63 K 573 K = m /s hapter 5-6

17 Kararsız Yayınım Yayınım yapan parçacıkların konsantrasyonu hem zamanın hemde konumun fonksiyonudur = (,t) Bu durumda Fick in İkinci Kanunu kullanılır Fick in İkinci Kanunu t Çözüm:,t s o o erf t s hapter 5-7

18 Kararsız Yayınım Örnek problem: YMK yapıya sahip demir-kabon alaşımı başlangıçta ağırlıkça % 0.0 içermektedir ve sıcaklık arttırılarak atmosferik basıçta yüzey karbon konsantrasyonu ağırlıkça %.0 oluncaya kadar karbürize edilmektedir saat sonra yüzeyden 4.0 mm derinlikte karbon konsantrasyonu ağırlkça % 0.35 ise, işlemin gerçekleştiği sıcaklığı bulunuz. Çözüm: enklem 5.5 i kullan (, t) s o o erf t hapter 5-8

19 Çözüm (devam): (,t s ) o o erf t t = 49.5 saat = m = 0.35 % s =.0 % o = 0.0 % (, t) s o o erf t erf( z) erf(z) = 0.85 hapter 5-9

20 Çözüm (devam): Tablo 5. den 0.85 hata fonksiyonuna denk gelen z nin değerini buluruz. İnterpolasyon işlemi gereklidir; z erf(z) z z z enklem için çözülür z t 4z t 4z t (4 0 (4)(0.93) 3 m) (49.5 h) h 3600 s.6 0 m /s hapter 5-0

21 Çözüm (devam): Bulduğumuz nin gerçekleştiği sıcaklığı bulmak enklem (5.9a) yeniden düzenlenir; T Qd R( ln ln) o Tablo 5. den, nin YMK Fe de yayınımı o = m /s Q d = 48,000 J/mol T (8.34 J/mol -K)(ln.30 48,000 J/mol 5 m /s ln.60 m /s) T = 300 K = 07º hapter 5 -

22 Özet Yayınım HIZLI... seyrek kristal yapı ikincil bağa sahip malzeme yayınım atomları küçük düşük yoğunluktaki malzeme Yayınım YAVAŞ... sıkı paketlenmiş kristal yapı covalent bağa sahip malzeme yayınım atomları büyük yüksek yoğunluktaki malzeme hapter 5 -