Difusión (física)
La difusión (molecular) es un proceso físico reversible, consiste en el flujo neto de átomos, iones u otra especie dentro de un material, las partículas se mueven de una región de alta concentración a un área de baja concentración hasta obtener una distribución uniforme. Inducido por la temperatura y el gradiente de concentración.
Normalmente los procesos de difusión están sujetos a la Ley de Fick. La difusión es un proceso que no requiere aporte energético, generalmente ocurre en gases y líquidos, presenta una forma de intercambio celular en el que partículas materiales se introducen en un medio en el que inicialmente estaban ausente, aumentando la Entropía (desorden molecular) del sistema.
Un átomo deja su sitio de red para llenar una vacante cercana (por tanto, creando una nueva vacante en el sitio de la red original). A medida que la difusión continúa, se tienen contra flujos de átomos vacancias, a lo que se llama difusión por vacantes.
El número de vacantes, el cual aumenta a medida que incrementa la temperatura, influye en la extensión de la auto difusión y difusión de los átomos sustitucionales.
Cuando está presente en la estructura cristalina un átomo o ion intersticial pequeño, el átomo o ion se mueve de un sitio intersticial a otro. No se requieren vacancias para este mecanismo. En parte debido a que hay muchos más sitios intersticiales que vacancias, la difusión intersticial se lleva a cabo con mucha mayor facilidad que la difusión por vacancia. Los átomos intersticiales que son relativamente más pequeños se difunden más rápido.
La diferencia de difusión entre dos regiones con distinta concentración es lo que se conoce como difusión neta.
La velocidad a la que los átomos, iones, partículas u otras especies se difunden en un material puede medirse por medio del flujo J. Aquí se trata principalmente con la difusión de iones o átomos. El flujo J se define como el número de átomos que pasan a través de un plano de unidad de área por unidad de tiempo. La primera ley de Fick explica el flujo neto de los átomos:
Dependiendo de la situación, la concentración puede expresarse como porcentaje atómico (% at), porcentaje de peso (%pe), porcentaje molar (%mol), fracción atómica o fracción molar. Las unidades del gradiente de concentración y el flujo también cambiaran de manera acorde.
El signo negativo en la ecuación indica que el flujo de la especie que se está difundiendo es de concentraciones mayores o menores, por lo que si el término es negativo, J será positivo.
La segunda ley de Fick la cual describe la difusión dinámica o de estado no estacionario de átomos es la ecuación diferencial.
El coeficiente de difusión no es una función de la localización ni de la concentración de la especie que se está difundiendo.
Donde es una concentración constante de los átomos que se están difundiendo en la superficie del material, es la concentración uniforme inicial de los átomos que se están difundiendo en el material y es la concentración del átomo que se está difundiendo en la localización debajo de la superficie después de un tiempo . La función “erf” es la función error.
Verhoeven, J. D., Fundamentos de Metalurgia Física. Limusa 1987 Askeland, D. R. y Phulé, P.P., La ciencia y la ingeniería de los materiales, México, Ed Thomson, 2004