12. Difusão pt.1

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Difusão
Difusão
• Princípio da Difusão:
“Átomos e íons tendem a se difundir para eliminar diferenças de 
concentração e produzir composições homogêneas e uniformes, ou 
seja, ocorre um processo de redução de energia do sistema, o que 
torna o material termodinamicamente estável.”
Difusão
• Difusão -> fluxo de quaisquer espécies químicas, como íons, átomos,
lacunas, ou...
• Fenômeno de transporte de massa (matéria) por movimentação
atômica (no caso de metais), de cátions e ânions (no caso de
cerâmicas iônicas) e de macromoléculas (no caso de polímeros);
• Depende:
Gradiente de concentração
Temperatura
• A difusão ocorre no interior de sólidos, líquidos e gases.
Difusão
Ex: Engrenagem de aço, endurecida superficialmente, mediante
processo de cementação. A camada mais externa foi submetida a
tratamento térmico em altas temperaturas, durante o qual o carbono
da atmosfera circundante difundiu-se para o interior da superfície.
Difusão
Ex:
• Cerâmicas condutoras -> a difusão de íons ou lacunas desempenha papel
importante na condutividade elétrica de cerâmicas condutoras, como a
zircônia (ZrO2)
• Produção de garrafas plásticas para bebidas -> difusão do CO2
• Oxidação do alumínio -> camada de óxido (Al2O3) impede difusão do
oxigênio
• Recobrimentos e filmes finos -> evitar difusão de vapor d’água, do oxigênio
e outros elementos
• Fibras ópticas e componentes microeletrônicos -> fibra de sílica revestida
com polímero para evitar difusão de moléculas de água.
Par de Difusão
• Uma visão idealizada do fenômeno da difusão pode ser obtida com o
auxílio do Par de Difusão;
• Um par de difusão pode ser formado quando as superfícies de duas
barras de materiais metálicos distintos são colocadas em contato
íntimo.
Par de Difusão
Par de Difusão
Tipos de Difusão
• Interdifusão -> É a mais comum. Ocorre quando átomos de um metal
se difundem em outro. Nesse caso há variação na concentração ao
longo do tempo;
• Autodifusão -> É a menos comum. Ocorre em cristais puros. Nesse
caso, os átomos que estão mudando de posição são do mesmo tipo,
não havendo variação na concentração ao longo do tempo.
Mecanismos de Difusão
• Da perspectiva atômica, a difusão é a migração passo a passo dos
átomos de determinadas posições do reticulado cristalino para
outras;
• Para ocorrer a movimentação de átomos são necessárias duas
condições:
Existência de um espaço livre adjacente ao átomo;
O átomo deve possuir energia suficiente para quebrar as ligações
químicas que o une aos seus átomos vizinhos e então causar uma
distorção no reticulado cristalino durante o seu deslocamento.
Mecanismos de Difusão
• Ao longo dos anos, foram propostos vários mecanismos diferentes
para explicar o movimento atômico durante a difusão;
• Destes, dois são dominantes para a difusão em metais:
Difusão por lacunas (ou Difusão substitucional);
Difusão intersticial.
Difusão por Lacunas
• Na DIFUSÃO POR LACUNAS um átomo (hospedeiro ou substitucional)
se desloca de uma posição normal da rede cristalina para um sítio
vago, ou lacuna, adjacente;
Difusão por Lacunas
• A movimentação dos átomos ocorre em uma direção e a das lacunas
ocorre na direção contrária;
• A extensão segundo a qual a difusão por lacunas pode ocorrer é
função da concentração de lacunas presente no metal;
• A concentração de lacunas aumenta com a temperatura;
• Quando átomos hospedeiros se difundem, ocorre o processo de
AUTODIFUSÃO;
• Quando átomos de impurezas substitucionais se difundem, ocorre o
processo de INTERDIFUSÃO;
Difusão Intersticial
• Na DIFUSÃO INTERSTICIAL átomos intersticiais migram para posições
intersticiais adjacentes não ocupadas do reticulado;
• Em metais e ligas, a difusão intersticial é o mecanismo preponderante
para a difusão de impurezas de raio atômico pequeno em relação aos
do hospedeiro;
Ex: hidrogênio, carbono, nitrogênio e oxigênio no aço.
Difusão Intersticial
• Geralmente, a difusão intersticial é muito mais rápida que a difusão
por lacunas;
• Os átomos intersticiais são menores, e dessa forma são também mais
móveis;
• Além disso, existem mais posições intersticiais vazias do que lacunas;
portanto, a probabilidade de um movimento intersticial é maior;
Ex: No Fe-α a 500°C, a difusão dos átomos de carbono (intersticial) é
quase 109 vezes mais rápida do que a autodifusão dos átomos de Fe
(por lacunas).
Energia de Ativação para a Difusão
• Como citado anteriormente, para ocorrer a movimentação dos
átomos são necessárias duas condições:
deve existir um espaço livre adjacente;
o átomo deve possuir ENERGIA SUFICIENTE para quebrar as ligações
químicas e causar uma distorção no reticulado cristalino.
Energia de Ativação para a Difusão
• Energia suficiente para que o átomo salte para sua nova posição;
• Barreira de energia que precisa ser superada pela ativação térmica;
• Vencer barreira de energia -> superar o valor da energia de ativação
Q;
• Baixa energia de ativação -> torna a difusão mais fácil
• A energia de ativação Q está diretamente correlacionada com o ponto
de fusão do elemento;
Energia de Ativação para a Difusão
Energia de Ativação para a Difusão
• Energia de ativação para a difusão aumenta com o aumento da
temperatura de fusão em metais.
Fluxo de Difusão
• Para quantificar a rapidez com que o fenômeno da difusão se
processa no tempo usamos o FLUXO DE DIFUSÃO (J);
• O Fluxo de Difusão é definido como sendo a massa (ou, de forma
equivalente, o número de átomos) M que se difunde por unidade de
tempo através de uma área perpendicular à direção do movimento da
massa;
Fluxo de Difusão
Fluxo de Difusão
• A representa a área através da qual a difusão está ocorrendo e t é o
tempo de difusão decorrido;
• Na forma diferencial nós temos:
Difusão em Estado Estacionário
• Regime Estacionário -> Quando o fluxo difusional não varia com o
tempo (Difusão em Regime Permanente);
• Ex.: difusão de átomos de um gás através de uma placa metálica para
a qual as concentrações em ambas as superfícies da placa são
mantidas constantes
Difusão em Estado Estacionário
Difusão em Estado Estacionário
• 1ª Lei de Fick -> Relação proporcional entre o fluxo de difusão e o
gradiente de concentração;
• O sinal negativo na 1ª Lei de Fick indica que a direção da difusão se dá
contra o gradiente de concentração, isto é, da concentração mais alta
para a concentração mais baixa;
• A força motriz da difusão no estado estacionário é o próprio gradiente
de concentrações dC/dx;
• D -> Coeficiente de difusão (m2/s) -> é o valor que representa a
facilidade com que o soluto se difunde em um solvente determinado;
Exercício
Ex: Uma placa de ferro está exposta, por um de seus lados, a uma
atmosfera carbonetante e pelo outro lado a uma atmosfera
descarbonetante, e se encontra a uma temperatura de 700°C. Se uma
condição de difusão em estado estacionário é atingida, calcule o fluxo
de difusão J do carbono através da placa sabendo que:
As concentrações de carbono a 5 e a 10 mm abaixo da superfície
carbonetante são de 1,2 e 0,8 kg/m3, respectivamente;
Considere um coeficiente de difusão D=3x10-11m2/s a essa
temperatura.
Exercício
Ex: