Transzportfolyamatok. Alapfogalmak. Lokális mérlegegyenlet. Transzportfolyamatok 15/11/2015

Hasonló dokumentumok
Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

Fizika-Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS Október 22. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Diffúzió 2003 március 28

Transzportjelenségek

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2.

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok.

A diffúzió leírása az anyagmennyiség időbeli változásával A diffúzió leírása a koncentráció térbeli változásával

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Molekulák, folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok

2. A hőátadás formái és törvényei 2. A hőátadás formái Tapasztalat: tűz, füst, meleg edény füle, napozás Hőáramlás (konvekció) olyan folyamat,

Elektromos vezetési tulajdonságok

DIFFÚZIÓ. BIOFIZIKA I Október 20. Bugyi Beáta

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. TRANSZPORTFOLYAMATOK biológiai rendszerekben.

TALAJVÉDELEM XI. A szennyezőanyagok terjedését, talaj/talajvízbeli viselkedését befolyásoló paraméterek

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 5. Általános anyagszerkezeti ismeretek Fémek, ötvözetek

Szabadentalpia nyomásfüggése

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Határfelületi jelenségek. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 3. Általános anyagszerkezeti ismeretek. N m J 2

1. SI mértékegységrendszer

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok.

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS

ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK. Anyagismeret 2016/17. Szilárdságnövelés. Dr. Mészáros István Az előadás során megismerjük

Égés és oltáselmélet I. (zárójelben a helyes válaszra adott pont)

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 9. Hőtani, elektromos és kémiai tulajdonságok

Orvosi Fizika 10. Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Reológia Mérési technikák

Elektromos áramerősség

Szigetelők Félvezetők Vezetők

Dinamikus modellek felállítása mérnöki alapelvek segítségével

BIOFIZIKA I OZMÓZIS Bugyi Beáta (PTE ÁOK Biofizikai Intézet) OZMÓZIS

tervezési szempontok (igénybevétel, feszültségeloszlás,

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

Katalízis. Tungler Antal Emeritus professzor 2017

10. Transzportfolyamatok folytonos közegben. dt dx. = λ. j Q. x l. termodinamika. mechanika. Onsager. jóslás: F a v x(t) magyarázat: x(t) v a F

a természet logikája

Molekulák mozgásban a kémiai kinetika a környezetben

Mérés és adatgyűjtés

American Society of Materials. Szilárdtestek. Fullerének (C atomok, sokszögek) zárt gömb, tojás cső (egy és többrétegű)

dinamikai tulajdonságai

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

BME, Anyagtudomány és Technológia Tanszék. Trendek az anyagtudományban Vezetési jelenségek Dr. Mészáros István 2013.

TRANSZPORTFOLYAMATOK ÉS SZIMULÁCIÓJUK (MAKKEM 242M)

OZMÓZIS. BIOFIZIKA I Október 25. Bugyi Beáta PTE ÁOK Biofizikai Intézet

FOK Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai tárgy kolokviumi kérdései 2012/13-es tanév I. félév

Fémtechnológiák Fémek képlékeny alakítása 1. Mechanikai alapfogalmak, anyagszerkezeti változások

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Szilárdságnövelés. Az előadás során megismerjük. Szilárdságnövelési eljárások

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok

SiAlON. , TiC, TiN, B 4 O 3

Reális kristályok, rácshibák. Anyagtudomány gyakorlat 2006/2007 I.félév Gépész BSC

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Transzportfolyamatok. Zrínyi Miklós

-2σ. 1. A végtelen kiterjedésű +σ és 2σ felületi töltéssűrűségű síklapok terében az ábrának megfelelően egy dipól helyezkedik el.

Fázisátalakulás Fázisátalakulások diffúziós (egyedi atomi mozgás) martenzites (kollektív atomi mozgás, diffúzió nélkül)

Kémiai reakciók sebessége

Műszaki hőtan I. ellenőrző kérdések

1. változat. 4. Jelöld meg azt az oxidot, melynek megfelelője a vas(iii)-hidroxid! A FeO; Б Fe 2 O 3 ; В OF 2 ; Г Fe 3 O 4.

Vezetők elektrosztatikus térben

Művelettan 3 fejezete

Fogalmi alapok Mérlegegyenletek

PHYWE Fizikai kémia és az anyagok tulajdonságai

Orvosi Biofizika I. 12. vizsgatétel. IsmétlésI. -Fény

Az elektromágneses tér energiája

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 8. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7.

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok. Elektromos vezetési folyamatban töltést továbbító (elmozdulni képes) részecskék:

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

Előszó.. Bevezetés. 1. A fizikai megismerés alapjai Tér is idő. Hosszúság- és időmérés.

Szilárdság (folyáshatár) növelési eljárások

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika 2. ZH, december 05. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

FBN206E-1 és FSZV00-4 csütörtökönte 12-13:40. I. előadás. Geretovszky Zsolt

A kémiai és az elektrokémiai potenciál

DR. KOVÁCS ERNŐ ELEKTRONIKA II. (DISZKRÉT FÉLVEZETŐK, ERŐSÍTŐK) ELŐADÁS JEGYZET

Hajdú Angéla

TRANSZPORTFOLYAMATOK ÉS SZIMULÁCIÓJUK (MAKKEM 242ML)

Fázisátalakulások, avagy az anyag ezer arca. Sasvári László ELTE Fizikai Intézet ELTE Bolyai Kollégium

ELEKTROKÉMIA. - elektrolitokban: ionok irányított mozgása. Elektrolízis: elektromos áram által előidézett kémiai átalakulás

Légköri termodinamika

Az anyagok lehetséges állapotai, a fizikai körülményektől (nyomás, hőmérséklet) függően. Az anyagokat általában a normál körülmények között jellemző

Anyagismeret tételek

összetevője változatlan marad, a falra merőleges összetevő iránya ellenkezőjére változik, miközben nagysága ugyanakkora marad.

mérlegegyenlet. ϕ - valamely SKALÁR additív (extenzív) mennyiség térfogati

Az Ampère-Maxwell-féle gerjesztési törvény

Szilárd anyagok. Műszaki kémia, Anyagtan I. 7. előadás. Dolgosné dr. Kovács Anita egy.doc. PTE MIK Környezetmérnöki Tanszék

Fizika 1 Elektrodinamika beugró/kis kérdések

10. Transzportfolyamatok folytonos közegben

Optika Gröller BMF Kandó MTI

Határfelületi jelenségek. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 3. Általános anyagszerkezeti ismeretek E A J 2. N m

IX. előadás április 1.

Biofizika I. OZMÓZIS. Dr. Szabó-Meleg Edina PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Orvosi Fizika 13. Bari Ferenc egyetemi tanár SZTE ÁOK-TTIK Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet

A kvantummechanika kísérleti előzményei A részecske hullám kettősségről

13 Elektrokémia. Elektrokémia Dia 1 /52

Átírás:

Alapfogalmak Transzportfolyamatok Diffúzió, Hővezetés Viszkozitás Önként végbemenő folyamat: Egyensúlyi állapot irányába Intenzív paraméterek kiegyenlítődése (p, T, µ) Extenzív paraméterek áramlása (V, E, n) Intenzív paraméter különbsége, gradiense: hajtóerő Transzportfolyamatok Lokális mérlegegyenlet Egy rendszerben az extenzív paraméterek (Y) megváltozásának módjai: Transzport; szállítás Jellemző: áramerősség (J), áramsűrűség (j) Véges változásokra: j = J/A Forrás; keletkezés, megszűnés Jellemző: forráserősség (F), forrássűrűség (σ) F = 0, ha megmaradási törvény, pl. tömeg, töltés F 0, pl. entrópia, kémiai komponens Egy rendszer egyensúlyba kerülésének módja lehet a transzport A rendszer egyensúlyra törekszik, a transzport hajtóereje az intenzív paraméterek kiegyenlítetlensége 1

Hajtóerők Természetes extenzív-intenzív párok: U és T, V és p, N és µ pl. a komponens-transzport természetes hajtóereje a kémiai potenciál különbsége Általánosan: j i = j i ( F 1, F 2, F l F r ) Leggyakrabban lineáris kapcsolat (Onsager): j k = Σ L k,j F j, (kereszteffektus) Példák Töltéstranszport: Ohm-törvény j= σ E Hővezetés: Fourier törvény A belső energia, hőenergia transzportja j = dq/adt, F = -dt/dx L = λ egy áram, egy hajtóerő: j i = L i F i L: vezetési együttható, F: hajtóerő Hővezetés mechanizmusa Alkalmazás Hőenergia közvetítés: Szabad elektronok Rácsrezgések, fononok mechanikai rezgések hullámként terjednek, ennek kvantuma a fonon Fémek: jó hővezetés, döntően elektronokkal Wiedemann-Franz törvény: λ/σ = L T L: Lorentz állandó, L = 2,45x10-8 WΩ/K 2 Jó villamos vezető ~ jó hővezető λ/σt (10-8 Metal WΩ/K 2 ) Cu 2.23 Ag 2.31 Au 2.35 Zn 2.31 Cd 2.42 Sn 2.52 Mo 2.61 Pb 2.47 Pt 2.51 Hűtés, termikus egyensúly fenntartása elektronikai eszközökben, nagy berendezésekben Keresni kell jó elektromos szigetelő és jó hővezető anyagokat Vezetés mellett konvekció, sugárzás. Anyag Hővezetőképesség (W/m K)* Gyémánt 1000 Réz 385.0 Vas 79.5 Üveg (tábla) 0.8 Üvegszál 0.04 Polisztirol hab 0.033 Szilikagél 0.003 Aluminum nitrid 80-200, Aluminum oxid 18-36 Berillium oxid 200-250 Bórnitrid 15-40, 250-300, Szilíciumkarbid 90-160, 2

Zafír Alkalmazás: LED hordozó λ= 65 W/mK op > 2000 C 90 kg-os zafír egykristály és a húzógép Izotróp anizotróp anyagok Anizotróp hővezetés L: vezetési együttható izotróp anyagokban anyagokban skalár, anizotrópban tenzor. Anizotróp: pl: nem szimmetrikus rácsú egykristályos anyag. L x, L y, L z a kristálytani tengelyek irányába mutató vektorok, egy térbeli ellipszoid főtengelyei. Anizotrópia-ellipszoid Általában csak 2 különböző tengely: forgási ellipszoid. Izotróp anyagokban a anyagokban a hőáram iránya megegyezik a hőmérsékletgradiens irányával. Anizotrópban J merőleges az ellipszoid felületére. (más transzportra is igaz) Pl. grafit: ~2000 W/mK, ~10 W/mK 3

Nemfémes anyagok hővezetése A szigetelőkben és a félvezetőkben a hővezetés fononok által történik, és általában alacsonyabb, mint a fémekben. Érzékeny az anyagszerkezetre: üvegekben, amorf anyagokban kisebb a λ, mert a rendezetlen szerkezetben nagyobb a fonon szóródása. A hővezetés csökken a porozitás növelésével A polimerek hővezető-képessége függ a kristályosság mértékétől a kristályosabb jobb hővezető A hővezetőképesség hőmérsékletfüggése Alapszabály, hogy λ a hőmérséklet emelésével csökken, mert az elektronok és a fononok szóródása a rácson nagyobb lesz (hasonlóan a villamos vezetéshez). A görbék lefutása nem olyan egyszerűen monoton. Viszkozitás Diffúzió Fluid közegben η Áram: impulzus x irányban Hajtóerő: nyírófeszültség Hőmérsékletfüggés: η = Példák: Üveg, polimer szerkezet kialakulása Festékek, paszták, nemnewtoni folyadékok A kémiai potenciál-különbség hatására zajló komponenstranszport Anyagáramlás molekuláris mozgások eredményeként Bármely halmazállapotban előfordul, más más mechanizmus Szilárd testekben: Szubsztitúciós Intersticiális 4

Szilárd közegben Átrendezve: Fick I törvény D: diffúzió-állandó (vezetési tényező) dn/dt: komponens áram, dc/dx: koncentráció gradiens Állandósult áramlásnál: j független az időtől C C 1 1 C 2 x 1 x x 2 C 2 Fick II törv, nem állandósult diffúzió A koncentráció-eloszlás változik a hely és az idő fv-ben A megoldás minden problémára egyedi, adott kezdeti és határfeltételek mellett. Példák A diffúzió mechanizmusa Acél felületi keményítése szén diffúzióval C atomok intersticiálisan vándorolnak Védi a deformálódástól, a C atomok gátolják a nyíró irányú mozgást a rácsban Repedést gátolják: nyomófeszültséget tartanak fenn a felületi rétegben A diffúzió hőmérsékletfüggése: = -, E: egy diffúziós lépés aktiválási energiája k: Boltzmann állandó Egykristályos anyagokban D függ a kristályorientációtól D intersticiális D szubsztitúciós D felületen > D szemcsehatáron > D kristályban 5

Példák a félvezető gyártásból Planár technológiában Si adalékolása p vagy n típusú szennyezőkkel, diffúzió vagy ionimplantáció útján. Állandó felületi koncentráció: A Si szelet felületén a diffuzánst folyamatosan pótoljuk Fick II. megoldása: Adott felületi anyagmennyiség: A Si szelet felületére vékony rétegben felviszik a diffuzánst, ezután már nincs utánpótlás Megoldás: erf: hibafüggvény erf diffúziós profil Gauss eloszlás A diffúzió GYORSABB Összefoglalás: szerkezet és diffúzió laza, nyitott kristályszerkezetekben alacsonyabb olvadáspontú anyagokban molekularácsos anyagokban ha kisebb a diffuzáns atom ha kation a diffuzáns kisebb sűrűségű anyagokban A diffúzió LASSÚBB szoros illeszkedésű kristályokban nagyobb olvadáspontú anyagokban kovalens kötésű anyagokban ha nagyobb a diffuzáns atom ha anionoknak nagyobb sűrűségű anyagokban Fémek oxidációja Sebesség-meghatározó: az oxigén diffúziója a kialakult (növekvő) oxidrétegen Utána a fém-oxigén reakció már gyorsabb Fick I megoldása: x(t) 2 = 2D(c f - c l ) t = kt Tamman-f parabolikus törv Oxidáció önmagát fékezi 6

Az oxidréteg hatása Csak akkor véd, ha szerkezete tömör marad Móltérfogatok aránya fém oxid ρ fém ρ oxid Al Al 2 O 3 2,7 3,7 1,38 Cr Cr 2 O 3 7,14 5,2 2 Ha < 1, az oxid nem fed > 1, jól fedő, védő >>1, az oxid leválik Fe FeO 7,88 5,99 Fe 2 O 3 5,24 1,69 2,15 Mg MgO 1,74 3,5 0,81 Ti TiO 2 4,5 4 1,88 7