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
, que geralmente obedece à lei de Arrhenius, e ver como cada mecanismo afeta os parâmetros dessa lei.
Passo 2
O coeficiente de difusão
em regime termal é dado pela expressão de Arrhenius:
onde
é o fator pré-exponencial (relacionado à frequência de tentativas de salto),
é a energia de ativação do mecanismo de difusão,
é a constante dos gases e
é a temperatura absoluta.
Passo 3
O mecanismo de difusão determina sobretudo os valores de
e
. 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 diferente.
– 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
Passo 4
Comparando energias de ativação típicas:
– Intersticial: mais baixo
0,5–1 eV) e
relativamente alto → difusão rápida.
– Vacância (no volume): intermediário (
1–3 eV) → taxa moderada.
– Contornos de grão: menor que vacâncias de volume → difusão mais rápida que no volume.
– Superfície: ainda menor → difusão muito rápida.
Ou seja, quanto menor (e maior
, maior
à mesma temperatura.
– Intersticial:
– Vacância (no volume):
– Contornos de grão:
– Superfície:
Ou seja, quanto menor
Passo 5
Em suma, o mecanismo de difusão define a altura da barreira energética
e a frequência de salto
. 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
e o fator pré-exponencial
na lei de Arrhenius para o coeficiente de difusão. Mecanismos com barreiras mais baixas (intersticial, contornos de grão, superfície) apresentam
menor e/ou
maior e, portanto, taxas de difusão significativamente mais altas do que a difusão por vacâncias no volume.