El término “difusión” describe el movimiento de energía o moléculas/partículas en un medio dado como resultado de sus colisiones caóticas entre sí o con partículas del medio circundante. La mayoría de las veces, hablamos de difusión en el contexto de la transferencia molecular causada por diferencias en la concentración. La difusión es un proceso comúnmente observado en la naturaleza, utilizado por la materia viva. Además, juega un papel importante en muchos procesos significativos en diversas industrias, como la metalurgia y la cerámica, por ejemplo, durante las transformaciones de fase, la sinterización o la coagulación de fase. La difusión es causada por varios factores, por ejemplo, gradientes: concentración, temperatura, presión, fuerzas externas y la presencia de una carga eléctrica.
La clasificación de la difusión.
La categorización básica se basa en el estado físico. Según este factor, distinguimos la difusión en fase sólida, líquida y gaseosa. Pensando en la difusión de átomos, se pueden distinguir dos categorías. El primero es la difusión química, que ocurre cuando los átomos de un elemento se mueven en relación con los átomos de la matriz. El segundo es la autodifusión, causada por los movimientos de átomos del mismo tipo entre sí. La difusión en fase sólida se puede dividir en:
- difusión reticular, que ocurre en cristales que no contienen defectos lineales y superficiales,
- difusión volumétrica, cuando el cristal tiene dislocaciones,
- a lo largo de la dislocación,
- a lo largo de los límites de grano,
- difusión superficial sobre la superficie libre del cristal.
El mecanismo de vacantes en la difusión.
El fenómeno se basa en el intercambio de un átomo con una vacante, es decir, un defecto puntual en la red cristalina, que también es un nodo que no está lleno de ningún átomo o ion. La condición para que ocurra el mecanismo es la presencia de tales sitios, lo que a su vez requiere la entrega de energía térmica adecuada. La barrera potencial que rodea a los átomos también debe romperse, lo que también requiere una cierta cantidad de energía. La energía necesaria, llamada energía de activación por difusión, es proporcionada por las oscilaciones térmicas de los átomos. Por esta razón, la relación entre la probabilidad de una vacante y su intercambio con los átomos y la temperatura es enorme y aumenta exponencialmente. En la ocurrencia de este mecanismo, además de las corrientes dirigidas de átomos en difusión, también se crean corrientes de vacantes dirigidas en la dirección opuesta.
El mecanismo intersticial en la difusión.
Este tipo de mecanismo supone saltos sucesivos de átomos intersticiales con átomos de la matriz. Dichos átomos son aquellos con diámetros pequeños en comparación con los átomos de la matriz. Los saltos ocurren de un defecto interatómico a otro adyacente. En toda red cristalina, incluso en la más densa, existen dos tipos de defectos. Los octaédricos son defectos más grandes, mientras que los tetraédricos son defectos más pequeños. Usando este mecanismo difusae.p. átomos de hidrógeno, carbono, nitrógeno u oxígeno. Todos menos el hidrógeno tienen diámetros tan grandes en relación con los defectos que ejercen esfuerzos de compresión en la red. El mecanismo ocurre mucho más rápido que el mecanismo de difusión de vacantes, porque la energía necesaria para su activación es hasta la mitad menor. No depende de la presencia de vacantes, sino de la densidad de llenado de la red.
Difusión de límite de grano
Factores que afectan la tasa de difusión en sólidos
- La temperatura está directamente relacionada con las oscilaciones térmicas de los átomos. Estos, a su vez, son los encargados de entregar la energía necesaria para el salto del átomo de un nodo al siguiente. La velocidad de difusión aumenta con el aumento de la temperatura.
- La densidad de los defectos es un factor que determina la velocidad de difusión. En el caso de dislocaciones y defectos puntuales, cuanto mayor sea su concentración, mayor será la velocidad de difusión. Lo contrario es cierto en el caso de los complejos de defectos, que reducen la velocidad de difusión.
- Un aumento en la presión total disminuye la tasa de difusión en sistemas ubicados en una atmósfera que no reacciona con el material. Se observa una importancia particularmente grande del factor a altas presiones.
El mecanismo de difusión en sólidos.
Los átomos en los sólidos, en los cristales, cambian constantemente de ubicación. Por difusión entendemos su migración en la red cristalina. Un átomo puede saltar solo si hay un espacio libre en su vecindad y el propio átomo tiene suficiente energía de activación. Al considerar las oscilaciones de los átomos en la red cristalina, debe tenerse en cuenta que:
- a temperaturas por encima del cero absoluto, cada átomo oscila con alta frecuencia alrededor de su posición.
- no todos los átomos oscilan con la misma frecuencia y amplitud al mismo tiempo,
- Los átomos tienen diferentes energías.
- el mismo átomo puede tener una energía diferente en un tiempo diferente,
- la energía de los átomos aumenta junto con la temperatura.
Difusión en soluciones
Debido al hecho de que las moléculas tanto del solvente como del soluto están en constante movimiento, su dispersión conduce a una distribución uniforme de la concentración en todo el volumen. El gradiente de concentración es un factor que activa la difusión y provoca el flujo de moléculas, eliminando la diferencia de concentración. Su velocidad es directamente proporcional al gradiente de concentración.
Difusión de gases
Es el proceso más rápido en relación con otros estados físicos. La dispersión espontánea de las moléculas de gas es causada por el movimiento cinético molecular. La velocidad es causada por la presencia de grandes espacios entre las partículas, que pueden ser fácilmente ocupados por otras sustancias. Un aumento de la temperatura aumenta aún más la velocidad de difusión al aumentar la velocidad de las partículas libres.
Leyes de difusión de Fick
Dos leyes introducidas por Fick describen el proceso de difusión, independientemente del estado físico:
- La primera ley de Fick describe la relación entre el flujo de una sustancia en difusión y su gradiente de concentración. El flujo es la cantidad de una sustancia que se mueve en una unidad de tiempo a través de una unidad de superficie perpendicular al flujo.
- La segunda ley de Fick describe la relación entre la tasa de cambio local en la concentración de una sustancia que se difunde y su gradiente de concentración.
Para cada sistema, también hay un coeficiente de difusión, que depende de la velocidad media de las moléculas, es decir, también de la temperatura, y del camino libre medio de las moléculas. Ejemplos cotidianos de difusión:
- Paso rápido de olores en una habitación.
- La penetración de oxígeno en la sangre durante la respiración.
- Partículas derivadas de las hojas de té que se esparcen en el recipiente durante la elaboración, hasta el volumen total.
- Teñido de fibras – esparcimiento de tinta/pigmento.
- Difusión de sabores y aromas durante la sazón.
