Difusin. 1 ley de FickLa difusin es uno de los procesos ms importantes que ocurren en un slido ya que juegan un papel fundamental en los mecanismos de acercamiento al equilibrio, llegando a ser determinantes en algunos de ellos. La razn ltima para que ocurra difusin ser por tanto, la tendencia de todo sistema a disminuir su energa libre, llegando a alcanzar un mnimo siempre que sea posible. Al abordar el estudio de la difusin lo que nos preguntamos es cunto tiempo tarda un tomo en ir de un sitio a otro dentro de un slido.Empezaremos con un ejemplo muy ilustrativo. Ponemos en contacto dos bloques de una aleacin AB con diferente composicin. Qu ocurre? Observemos la figura siguiente.

G1 y G2 son las energas libres correspondientes a las aleaciones ricas en elemento A y B respectivamente. La energa libre de todo el bloque serSi permitiramos el flujo de tomos de B hacia la zona rica en A y viceversa, se producira una disminucin de la energa libre (G4) y un menor gradiente de concentracin. Por tanto el proceso espontneo en este caso ser la difusin de tomos de cada una de las especies hacia las zonas en donde su concentracin sea menor.Esto es lo que ocurre en sistemas totalmente solubles donde no hay limitaciones para la concentracin de una especie en el bloque rico en la otra especie. Cuanto mayor sea el flujo de tomos, menor ser el gradiente de concentracin, mayor el grado de homogeneizacin y menor la energa libre del sistema.Pensemos ahora en sistemas que presenten un lmite de solubilidad. Esto significa que el flujo de tomos de una especia en la zona rica en la otra no puede proseguir indefinidamente, puesto que llegar un momento en que se superar el lmite de solubilidad. En trminos de energa libre esto debe reflejarse en la presencia de un mximo.En este caso el sentido de la difusin debe seguir siendo aqul que haga disminuir la energa libre y por tanto el que aumente el gradiente de concentracin.En ambos casos el sistema evoluciona en el sentido de disminucin de los potenciales qumicos.

DESCRIPCIN DE LOS POSIBLES MOVIMIENTOS ATMICOSCualquier tomo o defecto puntual situado en una posicin de red est separado del sitio vecino equivalente por una energa Em que se conoce como ENERGA DE MIGRACIN. Si suministramos energa suficiente los tomos (o defectos) podrn saltar de una posicin a otra vecina: DIFUSIN

Consideracin de las energas de difusin en estructuras sustitucionales por movimiento de vacantes. Dependencia exponencial con la temperatura

MOVIMIENTOS ATMICOS CUYO RESULTADO ES LA DIFUSIN

MOVIMIENTO DE VACANTES: La vacante se intercambia con el tomo ms prximo. Depende de dos factores que controlan cada uno de los pasos de que consta el proceso:Energa de formacin de la vacante (probabilidad de tener vacantes) Energa de migracin (probabilidad de salto de la barrera de potencial)MOVIMIENTO DE INTERSTICIALES: Requiere el salto de un tomo desde una posicin de red a una posicin intersticial desde la que posteriormente migrar hacia otras posiciones intersticiales.MOVIMIENTOS DE INTERCAMBIO: Son muy poco probables porque involucran saltos simultneos de varios tomos. Adems slo son perceptibles si los tomos que se intercambian son de especies distintas.

MECANISMOS DE DIFUSINExisten dos mecanismos principales de difusin en los tomos en una estructura cristalina: (1) mecanismo de vacantes o sustitucional, y (2) el mecanismo intersticial.1. Mecanismo de difusin por vacantes o sustitucionalLos tomos pueden moverse en las redes cristalinas desde una posicin a otra si hay presente suficiente energa de activacin, proporcionada sta por la vibracin trmica de los tomos, y si hay vacantes u otros defectos cristalinos en la estructura para que ellos los ocupen. Las vacantes en los metales son defectos en equilibrio, y por ello algunos estn siempre presentes para facilitar que tenga lugar la difusin sustitucional de los tomos. Segn va aumentando la temperatura del metal se producirn ms vacantes y habr ms energa trmica disponible, por tanto, el grado de difusin es mayor a temperaturas ms altas.La energa de activacin para la difusin propia es igual a la suma de la energa de activacin necesaria para formar la vacante y la energa de activacin necesaria para moverla.La siguiente tabla presenta la relacin de algunas energas de activacin para la autodifusin en metales puros.Tabla 1

Se pude observar que a medida que incrementa el punto de fusin del material. La energa de activacin tambin aumenta. Esto se da porque los metales con temperatura de fusin ms altas tienden a mayores energas de enlace entre sus tomos.La difusin tambin puede darse por el mecanismo de vacantes en soluciones slidas. La diferencia entre los tamaos de los tomos y las energas de enlace entre ellos son factores que afectan la velocidad de difusin.2. Mecanismo de difusin intersticialLa difusin intersticial de los tomos en redes cristalinas tiene lugar cuando los tomos se trasladan de un intersticio a otro contiguo al primero sin desplazar permanentemente a ninguno de los tomos de la matriz de la red cristalina. Para que el mecanismo intersticial sea efectivo, el tamao de los tomos que se difunde debe ser relativamente pequeo comparado con el de los tomos de la matriz. Los tomos pequeos como los de hidrgeno, carbono, oxgeno y nitrgeno, pueden difundirse intersticialmente en algunas redes cristalinas metlicas. Por ejemplo, el carbono puede difundirse intersticialmente en hierro alfa BCC y hierro gamma FCC. En la difusin intersticial de carbono en hierro, los tomos de carbono deben pasar entre los tomos de la matriz de hierro.

DIFUSIN EN ESTADO ESTACIONARIOSi consideramos la difusin del soluto en la figura 1. en la direccin del eje X entre dos planos de tomos perpendiculares al plano de la hoja, separados una distancia X. Supongamos que tras un periodo de tiempo, la concentracin de los tomos en el plano 1 es C1 y en el plano 2 es C2. Esto significa que no se produce cambios en la concentracin de los tomos de soluto en esos planos, para el sistema, con el tiempo. Tales condiciones de difusin se conocen como condiciones en estado estacionario.