Como o mecanismo de difusão influencia a taxa de difusão?

Passo 1

O enunciado pergunta como o mecanismo de difusão (vacâncias, intersticial, contornos de grão, etc.) influencia a taxa de difusão em sólidos. Vamos estudar o conceito de coeficiente de difusão \,D, que geralmente obedece à lei de Arrhenius, e ver como cada mecanismo afeta os parâmetros dessa lei.

Passo 2

O coeficiente de difusão \,D em regime termal é dado pela expressão de Arrhenius:
D = D_{0}\,\exp\Bigl(-\frac{Q}{R\,T}\Bigr),
onde \,D_{0} é o fator pré-exponencial (relacionado à frequência de tentativas de salto), \,Q é a energia de ativação do mecanismo de difusão, \,R é a constante dos gases e \,T é a temperatura absoluta.

Passo 3

O mecanismo de difusão determina sobretudo os valores de \,Q e \,D_{0}. Mecanismos comuns são:
– Difusão por vacâncias (saltos de átomos para sítios vazios no retículo);
– Difusão intersticial (átomos pequenos pulam entre sítios intersticiais);
– Difusão ao longo de contornos de grão;
– Difusão na superfície do material.
Cada um possui uma barreira de energia distinta e, portanto, um \,Q diferente.

Passo 4

Comparando energias de ativação típicas:
– Intersticial: \,Q mais baixo \sim0,5–1 eV) e \,D_{0} relativamente alto → difusão rápida.
– Vacância (no volume): \,Q intermediário ( \sim1–3 eV) → taxa moderada.
– Contornos de grão: \,Q menor que vacâncias de volume → difusão mais rápida que no volume.
– Superfície: \,Q ainda menor → difusão muito rápida.
Ou seja, quanto menor \,Q (e maior \,D_{0}, maior \,D à mesma temperatura.

Passo 5

Em suma, o mecanismo de difusão define a altura da barreira energética \,Q e a frequência de salto \,D_{0}. Mecanismos com barreiras baixas (intersticial, contornos, superfície) têm coeficientes de difusão maiores do que o mecanismo por vacâncias no interior do grão.

Resposta

O mecanismo altera a energia de ativação \,Q e o fator pré-exponencial \,D_{0} na lei de Arrhenius para o coeficiente de difusão. Mecanismos com barreiras mais baixas (intersticial, contornos de grão, superfície) apresentam \,Q menor e/ou \,D_{0} maior e, portanto, taxas de difusão significativamente mais altas do que a difusão por vacâncias no volume.

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