Difusión: transporte de masa, mecanismos atómicos y leyes de Fick

Resumen

El documento explica la difusión como transporte de masa mediante el movimiento atómico en gases, líquidos y sólidos, y distingue sus tipos y mecanismos, como la difusión sustitucional e intersticial. Después presenta el flujo de difusión y las leyes de Fick para los regímenes estacionario y no estacionario. Finaliza con los factores que influyen en la difusividad y algunas aplicaciones industriales como la cementación y la soldadura por difusión.

Puntos clave

La difusión es el transporte de masa por movimiento atómico, y es más rápida en gases que en líquidos y sólidos.
Tipos de difusión: autodifusión, difusión de solutos o impurezas e interdifusión.
La difusión sustitucional requiere vacantes; la intersticial es más rápida y se da con átomos pequeños.
El flujo de difusión J es la masa que atraviesa una superficie A por unidad de tiempo: J = (1/A)(dM/dt).
Primera ley de Fick (estacionaria): J = -D (dC/dx); segunda ley de Fick (no estacionaria): describe la acumulación o agotamiento de la sustancia.
La difusividad D depende del mecanismo, del tamaño atómico, de la estructura cristalina, de los defectos, de la concentración y de la temperatura: D = Do exp(-Ea/(RT)).

Ponte a prueba

Difusión: Transporte de Masa y Movimiento Atómico

La difusión es el transporte de masa o materia por medio del movimiento atómico. Este fenómeno ocurre en:

Gases: Proceso rápido (ejemplo: humo).
Líquidos: Proceso más lento (ejemplo: tinta en agua), debido al movimiento aleatorio browniano.
Sólidos: Ocurre mediante vibraciones térmicas.

Tipos de Difusión

Autodifusión: Átomos del mismo tipo intercambian posiciones (ejemplo: en un metal puro).
Difusión de solutos o impurezas: Átomos de soluto se difunden en una matriz con átomos diferentes.
Interdifusión: Difusión mutua de solutos, buscando igualar la concentración en el sistema. Los átomos se transportan desde regiones de alta concentración a las de baja concentración.

Mecanismos de Difusión

Intercambio directo: Improbable debido a la repulsión entre átomos a corto alcance.
Anillo: Cada átomo empuja al vecino en el curso de un círculo. Requiere la combinación de varios saltos atómicos, por lo que es improbable.
Difusión sustitucional: Un átomo se mueve desde una posición normal a una vacante. Requiere la existencia de vacantes y es función del número de defectos presentes.
Difusión intersticial: Los átomos se mueven desde una posición intersticial a otra vecina desocupada. Ocurre más rápidamente que la difusión sustitucional.

El movimiento atómico depende de la energía térmica para vencer la energía de activación (Ea) y de la existencia de vacantes o defectos para desplazarse.

Flujo de Difusión (J)

El flujo de difusión (J) es la cantidad de masa (átomos) que se difunde perpendicularmente a través de una superficie (A) por unidad de tiempo (t).

J = (1/A) * (dM/dt)

Difusión Estacionaria

En la difusión estacionaria, J no cambia con el tiempo. Se rige por la primera ley de Fick:

ΔC/Δx = (Ca - Cb) / (x1 - x2) (Gradiente de concentración)

Primera Ley de Fick: J = -D * (dC/dx)

Donde:

J: Flujo de difusión
D: Difusividad
dC/dx: Gradiente de concentración

Difusión No Estacionaria

La mayoría de las situaciones prácticas involucran difusión no estacionaria, donde J y el gradiente de concentración varían con el tiempo. Esto genera acumulación o agotamiento de las sustancias que difunden. Se describe mediante la segunda ley de Fick (ley de conservación de la materia).

Factores que Influyen en la Difusividad

La difusividad (D) es una propiedad del material que relaciona el flujo de materia con el gradiente de concentración. Los factores que influyen son:

Tipo de mecanismo de difusión.
Tamaño del átomo:
- Pequeño: Difusión intersticial.
- Grande: Difusión sustitucional.
Tipo de estructura cristalina de la red matriz.
Tipo de defectos en el cristal.
Concentración de las especies que difunden.
Temperatura (T) a la que ocurre la difusión: D = Do * exp(-Ea / (R * T))

Aplicaciones de la Difusión

Cementación.
Sintetización.
Soldadura por difusión.
Aumento del tamaño de grano mediante recocido.
Y muchas otras.

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la diferencia entre difusión sustitucional e intersticial?

En la difusión sustitucional un átomo ocupa una vacante de la red y requiere que existan vacantes. En la intersticial los átomos se mueven entre posiciones intersticiales vacías, y este proceso es más rápido.

¿Qué establece la primera ley de Fick?

Establece que, en difusión estacionaria, el flujo J es proporcional al gradiente de concentración, con signo negativo: J = -D (dC/dx). La constante D es la difusividad.

¿Qué factores afectan a la difusividad?

Influyen el mecanismo de difusión, el tamaño del átomo, la estructura cristalina de la red, los defectos del cristal, la concentración de las especies y la temperatura.