Difusión, 1A Y 2A Ley De Fick

DIFUSION.
Importancia de la difusión.
La difusión se puede definir como el mecanismo por el cual la materia es transportada a través de la materia. Los átomos en gases, líquidos y solidos están en constante movimiento y se desplazan tras un periodo de tiempo. En los gases, el movimiento de los átomos es relativamente rápido, como podemos apreciar en el rápido avance de los olores desprendidosal cocinar o del humo del tabaco. Los movimientos atómicos en los líquidos, en general, más lentos que en los gases, como puede observarse al seguir el movimiento de un pigmento en agua líquida. En los sólidos, el movimiento de los átomos está restringido debido a su enlazamiento en posiciones de equilibrio. Sin embargo, en los sólidos tienen lugar vibraciones térmicas que permiten que algunosátomos se muevan. La difusión de los átomos en metales y aleaciones es particularmente importante, ya que la mayor parte de las reacciones en estado sólido involucran movimientos atómicos. Ejemplos de reacciones en estado sólido son la precipitación de una segunda fase a partir de una solución sólida y la nucleación y crecimiento de nuevos granos en la re cristalización de un metal trabajado en frio.Hay dos principales mecanismos de difusión de los átomos en una red cristalina:
Difusión por vacantes o mecanismo sustitucional
Los átomos pueden moverse en las redes cristalinas desde unas posiciones atómicas a otras si hay suficiente energía de activación procedente de vibraciones térmicas de los átomos y hay vacantes u otros defectos cristalinos en la red para que los átomos puedandesplazarse a otras posiciones. Las vacantes en los metales y aleaciones son defectos de equilibrio, algunas siempre están presentes posibilitando la difusión sustitucional de los átomos. Según va aumentando la temperatura del metal se producirán más vacantes y habrá más energía térmica disponible, por lo tanto, el grado de difusión es mayor a temperaturas mal altas.
Mecanismos de difusión intersticial.La difusión intersticial de los átomos en las redes cristalinas tiene lugar cuando los átomos van desde una posición intersticial a otra vecina desocupada sin desplazar permanentemente a ningunos de los átomos de la red cristalina matriz. Para que este mecanismo sea efectivo, el tamaño de los átomos que se difunden debe ser relativamente pequeño como los de hidrogeno, oxigeno, nitrógeno y carbonopueden difundirse intersticialmente en algunas redes cristalinas metálicas.
Primera ley de Fick “Velocidad de difusión”
La velocidad a la cual los átomos se difunden en un material se mide por la densidad de flujo J, la cual se define como el número de átomos que pasa a través de un plano de área unitaria por unidad de tiempo. La primera ley de Fick determina el flujo neto de los átomos.
J = -D∆c∆x
Donde J es la densidad de flujo (átomos/cm2 ∙ s), D es la difusividad o coeficiente de difusión (cm2/s), y ∆c/∆x es el gradiente de concentración (átomos/cm3 ∙ cm). Diversos factores afectan el flujo de átomos durante la difusión.
Gradiente de concentración. Indica como varia la composición del material con la distancia; ∆c es la diferencia de concentración a lo largo de la distancia ∆x. Sedebe hacer notar que el flujo neto de átomos es inicialmente alto cuando el gradiente de concentración es alto, y decrece gradualmente conforme se reduce el gradiente.
La temperatura y el coeficiente de difusión. El coeficiente de difusión está dado por la expresión
D=D0exp-QRT
Donde Q es la energía de activación (cal/mol), R es la constante del gas ideal (1.987 cal/mol ∙ °C) y T es latemperatura absoluta (K). D0 es una constante para un sistema de difusión dado.
Cuando se incrementa la temperatura de un material, el coeficiente de difusión y la densidad de flujo de átomos también se incrementan. A temperaturas mayores, la energía térmica proporcionada a los átomos que se difunden les permite superar la barrera de energía de activación y poder desplazarse más fácilmente a otros...