Hoje vamos estudar Movimentos Atômicos –

Difusão

- Definições

- Mecanismo da difusão

- Difusão no estado estacionário

- Difusão no estado não-estacionário

O que é difusão?

É a migração passo a passo dos átomos de um sítio para outro sítio da rede.

É o transporte de matéria (átomos) através da matéria.

A Difusão está associada ao transporte de massaque ocorre em um sistema quando nele existe umgradiente de concentração química.

No interior dos sólidos, a difusão ocorre por movimentaçãoatômica (no caso de metais);

De cátions e ânions (no caso de cerâmicas);

E de macromoléculas (polímeros).

Difusão

A difusão ocorre no interior de sólidos, líquidos egases.

Exemplos Práticos:

•Uma gota de tinta que se dilui na água (difusão no interior deum líquido);

•Odor de um perfume que se espalha por uma sala (difusão nointerior de um gás).

Difusão

A difusão é o mecanismo responsável por processos importantes, como:

Endurecimento superficial (cementação e nitretação)

de aços e ligas

Controlar condutividade nos semicondutores

Oxidação de metais

Formação de compostos a partir dos componentes

individuais

Sinterização (materiais cerâmicos)

• Interdifusão ou difusão de impurezas(é o mais comum) ocorre quando átomos

de um metal difunde em outro. Nesse caso hávariação na concentração

• Autodifusão ocorre em cristais puros.

Nesse caso não há variação na concentração

Tipos de Difusão

É o fenômeno de transporte de material através do movimento dos átomos.

O processo é demonstrado mediante o uso de um par

de difusão, que é formado ao se colocarem juntas as

barras de dois metais diferentes, de modo que exista

um contato íntimo entre as duas faces.

Em metais…

Difusão Atômica

Antes do aquecimento

Cu Ni

Par de Difusão

Par de difusão cobre-níquel.

Representação esquemáticada localização dos átomos deCu e Ni no interior do par dedifusão.

Gráfico das concentrações doCu e Ni em função da posiçãoao longo do par de difusão.

Linha azul representa aconcentração do Cu e a linhavermelha a do Ni.

Par de DifusãoDepois do

aquecimento

NiCu Cu+Ni

Par de difusão cobre-níquel apóstratamento térmico a temperaturaelevada, apresentando a zona dedifusão.

Representação esquemática dalocalização dos átomos de Cu(círculos cheios) e Ni (círculosvazios) no interior do par dedifusão.

Concentrações de Cu e Ni emfunção da posição ao longo do parde difusão.

Linha azul representa aconcentração do Cu e a linhavermelha a do Ni.

Esse resultado indica que os átomos deCu migraram ou se difundiram para ointerior do níquel, e que o Ni se difundiupara o interior do Cu.

Interdifusão ou difusão de impurezas

O processo é chamado de

Inicialmente Tempo # 0

Autodifusão: difusão de um componente domaterial, quando todos os átomos que mudamde posição são do mesmo tipo (cristais puros).

Autodifusão

Nesse caso não há

variação na concentração

O processo é chamado de

Mecanismo de Difusão

Devido à agitação térmica, os átomos, nas redescristalinas, estão sempre em vibração na sua posiçãode rede;Quanto maior for a energia térmica (outemperatura), maior é a probabilidade de os átomossaírem das suas posições, criando um vazio (lacuna)no seu lugar;Por outro lado, dentro da rede cristalina, existeminúmeros espaços vazios entre os átomos(interstícios) nos quais é possível alojar outrosátomos.

Mecanismo por lacunas

Mecanismo intersticial

Mecanismo de Difusão

A difusão é tão somente a migração em etapas dosátomos de um sítio para outro sítio do reticuladocristalino (movimentação).

Duas condições devem ser atendidas para essa movimentação:

(1) Deve existir um sítio adjacente vazio;

(2) O átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligaçõesatômicas com seus átomos vizinhos e, então, causar distorção narede cristalina durante seu deslocamento.

Difusão por Lacunas

Nos metais e ligas, as lacunas são defeitos de equilíbriopermitindo que os átomos se movam de uma posição atômicapara outra, se a energia de ativação fornecida pela vibraçãotérmica dos átomos for suficiente.Tanto a autodifusão, como a interdifusão ocorrem por essemecanismo.

A taxa de difusão depende do número de vazios para troca de posição.

Difusão Intersticial

Envolve átomos que migram de uma posição intersticial parauma posição intersticial vizinha que se encontra vazia;

Observada em impurezas intersticiais: C, H, N e O (átomospequenos o bastante para ocupar posições intersticiais);

Maior possibilidade de movimento de átomos (intersticial emmaior número).

• Lacunas (é o mais comum, um átomo da rede move-sep/ uma vacância)

• Intersticiais (ocorre com átomos pequenos e promovemdistorção na rede)

A difusão dos intersticiais ocorre mais rapidamente que a difusãopor lacunas, pois os átomos intersticiais são menores e então temmaior mobilidade.

Além disso, há mais posições intersticiais que por lacunas narede, logo, a probabilidade de movimento intersticial é maior quea difusão de vacâncias.

Difusão por Lacunas x Difusão Intersticial

O fluxo de difusão, J, é usado para determinar a velocidade com que uma difusão ocorre;

Pode ser dada em função do número de átomos por área e tempo(at/m2.s) ou em termos do fluxo de massa (kg/m2.s);

Fluxo de Difusão

% a

t. A

at. A

at. B

O gradiente de concentração mostra como a concentração variacom a distância.

Em um regime estacionário, ele é dado por:

J não muda com o tempo.

Gradiente de concentração

J não muda com o tempo.

e constante

Placa fina de metal

Gás à pressão PA

Gás à pressão PB

Direção de difusão dos gases c

on

cen

tração

posição

D é uma constante deproporcionalidade:

coeficiente de difusão;

Sinal negativo indica que ofluxo se dá na direçãodecrescente do gradiente (dealtas p/ baixas concentrações)

Perfil linear de concentração

Difusão : Estado Estacionário

Aplicação

Uma placa de ferro é exposta a uma atmosfera carbonetante (ricaem carbono) pelo outro lado, a 700°C. Se uma condição de estadoestacionário é atiginda, calcule o fluxo de difusão do carbonoatravés da placa, sabendo-se que as concentrações de carbono nasposições a 5 e a 10 mm (5 x 10-3 e 10-2 m) abaixo da superfíciecarbonetante são de 1,2 e 0,8kg/m3, respectivamente. Suponha umcoeficiente de difusão de 3 x 10-11m/s a essa temperatura.

Solução: Usando a primeira Lei de Fick para determinar o fluxo por

difusão.

Coeficiente de Difusão

O coeficiente de difusão D:

indica a taxa de movimentação atômica;

depende e cresce exponencialmente com a temperatura.

D0 = fator exponencial independente da temperatura (m2/s)

Qd = energia de ativação da difusão (J/mol ou eV/átomo)

R = constante dos gases (8,314 J/mol ou 8,62x10-5 eV/átomo)

T = temperatura absoluta (K)

Dados de difusão de alguns elementos

Coeficiente de Difusão

J e o gradiente de concentração variam com o tempo;

C é dada em termos tanto do tempo quanto da posição:

Situação mais próxima da real;

O perfil de concentração é dado por uma equação diferencial: 2ª Lei de Fick;

Difusão:Estado Não-Estacionário