Difusión aplicada en la Ingeniería Química

DIFUSIÓN

Es el movimiento de los átomos, iones o moléculas, dentro de un material. Estos se mueven de manera predecible, tratando de eliminar diferencias de concentración y producir una composición homogénea y uniforme.

Observar la evolución de una gota de tinta en un vaso de agua, o de un cristal de alguna sustancia coloreada en el solvente adecuado, los olores que llegan a nosotros, sonexperiencias diarias de fenómenos de difusión en gases y líquidos, estados en los que por su misma situación de movilidad, los átomos difunden con rapidez. Sin embargo este fenómeno es una tendencia general en la naturaleza, y aunque más lento, es igualmente observable en sólidos, tendiendo a homogenizar las “imperfecciones”.



Se han definido como sólidos a aquellos materiales cuyos átomos,iones o moléculas están ordenados en una forma fija y regular de mínima energía, llamada red cristalina. Aún siendo regulares, las redes cristalinas naturales pocas veces son perfectas: la descripción y el control de las imperfecciones existentes, y aún la creación de imperfecciones en una red cristalina perfecta, son un aspecto importante de la ingeniería de los materiales.
Las imperfecciones dela red pueden consistir en la ausencia de uno o más átomos en los puntos correspondientes de la misma (vacancias) o en la aparición de un átomo diferente (de mayor o menor radio) lo que provoca tensiones y distorsiones en la red. Los átomos más pequeños pueden acomodarse también en los huecos dejados por los átomos de la red (sitios intersticiales) constituyendo otro tipo de imperfección.
Y aúnlos mismos, los átomos, iones o moléculas ordenados en la red tienen energía como para desplazarse de un punto a otro, intercambiando posiciones con otro átomo idéntico, siguiendo las tendencias homogeneizantes antes mencionadas. Puesto que no todos los átomos tienen la misma energía, se podrá aplicar un criterio estadístico.
La probabilidad de intercambiar posiciones depende de la temperaturasegún la ecuación de Arrhenius


 Donde es una constante, Q es la energía de activación (en ), R la constante de los gases (en ) y T la temperatura absoluta.

Se basa en un criterio estadístico sobre la probabilidad de que   tengan una energía adicional Q como para poder desplazarse de uno a otro sitio de la red.
La energía de activación es la energía que debe tener un átomo, ión o molécula,para poder llegar a su nueva posición: es fácil ver que los átomos se encuentran en una situación normal, de baja energía y relativamente estable. Al difundir, al abrirse paso a un nuevo sitio, el átomo debe comprimir los átomos circundantes, vencer una barrera energética, esa es la energía de activación. El calor aplicado es lo que proporciona esa energía. Un bajo valor de Q representa unadifusión fácil.


Se ha podido verificar experimentalmente, por medio de trazadores radioactivos, que los átomos se mueven dentro de la red de una posición a otra incluso en sólidos absolutamente puros. Este proceso se denomina autodifusión, y aunque ocurre continuamente en todos los materiales no tiene efecto importante en su comportamiento. Si lo tiene cuando ocurre con átomos de distintosmateriales, por ejemplo en las soldaduras. Cada tipo de átomo difunde gradualmente hasta lograr una distribución uniforme, luego de transcurrido suficiente tiempo. A este proceso se lo denomina difusión de átomos sustitucionales.
Los dos mecanismos importantes mediante los cuales ocurren estos procesos de difusión son la difusión por vacancia y la difusión intersticial:
Difusión por vacancia: tanto en laautodifusión como en la difusión de átomos sustitucionales, un átomo puede abandonar su sitio en la red para llenar una vacancia cercana. Pero en el mismo momento se crea una vacancia en el sitio antes ocupado por él. Al progresar la difusión se observa un flujo de átomos y de vacancias en sentidos opuestos, conocido como difusión por vacancia.
Difusión intersticial: si en la estructura...