Difusão resumo

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Difusão
É o mecanismo pelo qual a matéria é transportada através da matéria.
· Nos gases: movimentos atômicos são relativamente rápidos.
· Nos líquidos: os movimentos atômicos mais lentos
· Nos sólidos: os movimentos atômicos são dificultados devido a ligação dos átomos em posição de equilíbrio.
Importância e aplicações
· Dopagem em materiais semicondutores para controlar a condutividade
· Tratamentos térmicos e termoquímicos de materiais metálicos
· Solidificação de materiais metálicos
· Processamento de materiais cerâmicos – sintetização.
· Processos de fabricação através de metalurgia do pó.
· Purificação de gases.
Tipos de difusão:
· Autodifusão: sólidos elementares, cristais puros, quando os átomos de um mesmo metal mudam de posição, não há variação de concentração.
· Inter difusão ou (difusão de impurezas): em ligas, os átomos tendem a migrar das regiões de alta concentração. Nesse caso há variação na concentração.
Unindo uma placa de Ni e uma placa de Cu, átomos de Ni migrarão gradualmente para a placa de Cu e átomos de Cu migrarão gradualmente para a placa de Ni.
A difusão ocorre da região de maior concentração para a de menor concentração.
 Inter difusão
Mecanismos de difusão.
Para um átomo difundir, duas condições devem ser atendidas:
· Deve existir um sítio adjacente vago;
· O átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações atômicas que o une aos seus vizinhos e então causar alguma distorção na rede cristalina durante o deslocamento.
· A energia necessária para a difusão de forma Substitucional é maior que a de forma intersticial.
· Qd é a energia necessária para o movimento, e é a energia de ativação da difusão.
· Em redes cristalinas existem dois mecanismos principais de difusão atômica:
· Substitucional: envolve o movimento de um átomo de uma posição normal cristalina para um sítio ou (lacuna) adjacente.
· Intersticial: quando os átomos migram de uma posição intersticial para uma outra vizinha
Difusão por lacunas ou vacâncias
Átomos trocam de posição com as vacâncias
A difusão por lacunas depende:
· Número de vacâncias que cresce com a temperatura;
· Energia de ativação para a troca (tamanho atômico e energia de ligação);
Note a presença de lacunas facilita essa movimentação.
Note a natureza randômica da migração atômica de A e B. mas a diferença na concentração dos dois materiais resultara num fluxo global do material A para B, e vice-versa.
Efeito Kirkendall: transporte real de massa e de vazios. Comprova mecanismo de difusão por lacunas.
Difusão no estado estacionário.
Primeira lei de Fick 
Expressa a velocidade de difusão em função da diferença da concentração (J é constante no tempo).
J= at/m2.s=M/A.t
D= coeficiente de difusão cm2/s (Velocidade de difusão)
dC/dx= gradiente de concentração em função da distância at/cm3
Perfil de concentração é linear o J não varia com o tempo CONSTANTE.
O sinal negativo nessa expressão indica que a direção da difusão se dá contra o gradiente de concentração, isto é, da concentração, mais alta para a concentração mais baixa.
Coeficiente de difusão (D)
Fornece indicação da velocidade de difusão
Depende de alguns fatores.
· Da natureza dos átomos em questão
· Do tipo de estrutura cristalina
· Da temperatura
· onde:
· D0 = cte pré-exponencial independente da temperatura (m2/s);
· Qd = energia de ativação (J/mol, cal/mol, V/átomo);
· R = cte dos gases, 8,31 J/mol-K, 1,987 cal/mol-K, 8,62x10-5 eV/átomo;
· T = Temperatura absoluta (K).
Difusão é um processo termicamente ativado
Equação de Arrhernius
Fatores que influenciam na difusão
Temperatura:
D = constante de proporcionalidade ou Coeficiente de Difusão;
dC/dx = gradiente de concentração (inclinação da reta)
Perfil de concentração é linear, o J não varia com o tempo.
Difusão no estado não-estacionário
Também chamada condição transiente – é a que ocorre na maioria das situações práticas envolvendo difusão
O fluxo de difusão e o gradiente de concentração em um ponto específico no interior de um solido variam ao longo do tempo.
Sob as condições de estado não estacionário é usada a equação diferencial parcial: Segunda Lei e Fick.
A solução da equação diferencial de segunda ordem só e possível se forem fornecidas condições de contorno.
Com frequência, a fonte do componente que esta difundindo é uma fase gasosa, cuja pressão parcial é mantida em um valor constante. Além disso, as seguintes hipóteses são adotadas:
1. Antes da difusão, todos os átomos do soluto em difusão que estejam presentes no sólido estão ali distribuídos uniformemente, mantendo uma concentração C0.
2. O valor de x na superfície é zero e aumenta com a distância para dentro do sólido.
3. O tempo zero é tomado como sendo o instante imediatamente anterior ao início do processo de difusão.
Para t = 0, C = C0 em 0 x 
Para t 0, C = Cs (conc. sup. cte.) em x = 0 
C = C0 em x = 
* Uma barra sólida é considerada semi-infinita se nenhum dos átomos em difusão é capaz de atingir a extremidade da barra durante o tempo de procedimento de difusão.
A aplicação das condições de contorno a equação diferencial fornece a solução:
Onde: 
Cx – conc. a uma profundidade x após decorrido um tempo t.
Função erro de Gauss -> valores são tabelados
Tabela função erro (erf(z))
Perfil de concentração
Considerações
Fatores que favorecem a difusão
· Baixo empacotamento atômico
· Baixo ponto de fusão
· Ligações fracas (Van der Walls)
· Baixa densidade
· Raio atômico pequeno
· Presença de imperfeições
· Maior energia de ativação
Em geral a difusividade é maior através das regiões estruturais menos compactas, isto é contorno de grão discordâncias superfície externa.
A maior difusividade em materiais policristalinos do que em monocristais se deve a maior difusividade no contorno de grão.
Fatores que dificultam a difusão
· Alto empacotamento atômico
· Alto ponto de fusão ligações fortes (iônicas e covalentes)
· Alta densidade
· Raio atômico grande
· Alta qualidade cristalina
Outros caminhos de difusão:
· A migração atômica também pode ocorrer ao longo das discordâncias, contorno de grão e superfícies externas (caminhos de difusão de curto-circuito);
· As taxas de difusão nos caminhos de curto-circuito são muito maiores do que aquelas para a difusão no meio da massa solida.
· Contudo, na maioria das situações, as contribuições para o fluxo de difusão global devido aos curtos-circuitos são insignificantes, pois as áreas de seção reta para esses caminhos são extremamente pequenas.