Difusión. 1ª ley de Fick

La difusión es uno de los procesos más importantes que ocurren en un sólido ya que juegan un papel fundamental en los mecanismos de acercamiento al equilibrio, llegando a ser determinantes en algunos de ellos. La razón última para que ocurra difusión será por tanto, la tendencia de todo sistema a disminuir su energía libre, llegando a alcanzar un mínimo siempre que sea posible. Al abordar el estudio de la difusión lo que nos preguntamos es cuánto tiempo tarda un átomo en ir de un sitio a otro dentro de un sólido.

Empezaremos con un ejemplo muy ilustrativo. Ponemos en contacto dos bloques de una aleación AB con diferente composición. ¿Qué ocurre? Observemos la figura siguiente.

G1 y G2 son las energías libres correspondientes a las aleaciones ricas en elemento A y B respectivamente. La energía libre de todo el bloque será

Si permitiéramos el flujo de átomos de B hacia la zona rica en A y viceversa, se produciría una disminución de la energía libre (G4) y un menor gradiente de concentración. Por tanto el proceso espontáneo en este caso será la difusión de átomos de cada una de las especies hacia las zonas en donde su concentración sea menor.

Esto es lo que ocurre en sistemas totalmente solubles donde no hay limitaciones para la concentración de una especie en el bloque rico en la otra especie. Cuanto mayor sea el flujo de átomos, menor será el gradiente de concentración, mayor el grado de homogeneización y menor la energía libre del sistema.

Pensemos ahora en sistemas que presenten un límite de solubilidad. Esto significa que el flujo de átomos de una especia en la zona rica en la otra no puede proseguir indefinidamente, puesto que llegará un momento en que se superará el límite de solubilidad. En términos de energía libre esto debe reflejarse en la presencia de un máximo.

En este caso el sentido de la difusión debe seguir siendo aquél que haga disminuir la energía libre y por tanto el que aumente el gradiente de concentración.

En ambos casos el sistema evoluciona en el sentido de disminución de los potenciales químicos.

DESCRIPCIÓN DE LOS POSIBLES MOVIMIENTOS ATÓMICOS

Cualquier átomo o defecto puntual situado en una posición de red está separado del sitio vecino equivalente por una energía Em que se conoce como ENERGÍA DE MIGRACIÓN. Si suministramos energía suficiente los átomos (o defectos) podrán saltar de una posición a otra vecina: DIFUSIÓN

Consideración de las energías de difusión en estructuras sustitucionales por movimiento de vacantes. Dependencia exponencial con la temperatura

MOVIMIENTOS ATÓMICOS CUYO RESULTADO ES LA DIFUSIÓN

MOVIMIENTO DE VACANTES: La vacante se intercambia con el átomo más próximo. Depende de dos factores que controlan cada uno de los pasos de que consta el proceso:

Energía de formación de la vacante (probabilidad de tener vacantes)
Energía de migración (probabilidad de salto de la "barrera de potencial)

MOVIMIENTO DE INTERSTICIALES: Requiere el salto de un átomo desde una posición de red a una posición intersticial desde la que posteriormente migrará hacia otras posiciones intersticiales.

MOVIMIENTOS DE INTERCAMBIO: Son muy poco probables porque involucran saltos simultáneos de varios átomos. Además sólo son perceptibles si los átomos que se intercambian son de especies distintas.