Difusión en estado sólido

Documentos relacionados
Modelo Atomístico de la Difusión

DIFUSION AL ESTADO SÓLIDO

Difusión Enfoque atomístico Estructura cristalina. Ma. Eugenia Noguez Amaya

4. DIFUSION EN SÓLIDO

Fabricación de una unión p-n

Red cristalina perfecta

GUÍA DE DISCUSIÓN DE PROBLEMAS 4 TEMA DIFUSIÓN EN MATERIALES DE INGENIERÍA

Solidificación e Imperfecciones. en Sólidos

Examen de Mejoramiento: Ciencias de Materiales

Defectos cristalinos. Introducción a la Ciencia de Materiales. M. Bizarro

CAPITULO 2 PROCESO DE DIFUSIÓN.

III. DIFUSION EN SOLIDOS

Difusión ió Fenómeno de transporte de masapormovimiento

TEMA 4. IMPERFECIONES EN SÓLIDOS

Ejercicio 2. Au-Ag ; Al-Cu ; Al-Au ; U-W y Mo-Ta. Au Ag Al Cu U W Mo Ta Radio Atómico

Tema 3. Solidificación, defectos y difusión en sólidos

Difusión ió Fenómeno de transporte de masapormovimiento

DIFUSIÓN UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA TECNOLOGIA MECANICA

Mediante el entendimiento del movimiento de las vacancias se puede explicar el proceso de difusión de átomos en un sólido cristalino.

RECRISTALIZACION. en metales y aleaciones

Estructuras Cristalinas. Julio Alberto Aguilar Schafer

FÍSICA APLICADA Y FISICOQUÍMICA I. Tema 6. Termodinámica de las disoluciones

SOLUCIONES SÓLIDAS IDEALES

DEPARTAMENTO DE TECNOLOGÍA Actividades complementarias Curso: 1º Bach. Profesor: José Jiménez R. Tema 12: Materiales Metálicos: Metales ferrosos

UNIDAD IV. 4.6 Índices de Miller. Direcciones y Planos compactos. e ** Para Sistema cubico y hexagonal.

Transferencia de materia Se produce en mezclas con diferentes concentraciones locales La materia se transporta debido a una diferencia o gradiente de

TECNOLOGÍA DE MATERIALES SERIE DE EJERCICIOS No. 1 SEMESTRE

¾ Difusión atómica: los átomos, aún en un sólido, se mueven de un sitio atómico a otro.

Diagramas y transformaciones de fase 5. Difusión

Coeficientes de reparto

Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Biofísica FCEFyN Introducción a la fisicoquímica de mezclas Mezclas ideales Dra. Dolores C. Carrer

3. IMPERFECCIONES EN SÓLIDOS

LABORATORIO DE OPERACIONES UNITARIAS I

Tema 4 Difusión en estado sólido

Supongamos la reacción de formación de yoduro de hidrógeno a partir de sus componentes. I (g) + H (g) 2HI(g)

5.- Describir la solubilidad del Carbono en el Hierro en función de la temperatura y de sus distintos estados alotrópicos.

MECANISMOS DISIPATIVOS Y SUS FUERZAS IMPULSORAS

TEMA 8: SÓLIDOS INORGÁNICOS. 2.- Redes bidimensionales y tridimensionales

CAPITULO VII DIFUSIVIDAD Y EL MECANISMO DE TRANSPORTE DE MASA

Transferencia de Masa ª

Luis Alberto Laguado Villamizar. Diseñador Industrial Mg Ingeniería de Materiales

5. DIAGRAMAS DE FASES

Ecuación de Arrhenius Teoría de las Colisiones Teoría del Estado de Transición

¾ modelos que muestran las fases que deben existir en condiciones de equilibrio termodinámico. &RQFHSWRVIXQGDPHQWDOHV

CRISTALOGRAFIA. Es un sólido compuesto de átomos, iones o moléculas ordenados de una cierta forma y que se repite en tres dimensiones.

Tema 1: Sólidos cristalinos Curso 2016/17

Soluciones sólidas. E. Hernández 1

Transporte de Portadores Marzo de Movimiento térmico de portadores 2. Arrastre de portadores 3. Difusión de portadores

Tema 4.- Solidificación y Difusión

4. Estructura atómica, enlaces y Ordenamiento atómico de los metales

TEMA 3. DIAGRAMAS DE FASES BINARIOS

Física del Estado Sólido Práctico 8 Estructura Electrónica de Bandas y Semiconductores

Materiales Eléctricos. Semiconductores 06/05/2016. Repaso valores de Resistividad. Material ρωm (/α)/ C Plata 1,62*10-8 4,1*10-3 PTC

IMPERFECCIONES CRISTALINAS

MODELOS EN ING. QUIMICA

Empaquetamiento compacto

ESTRUCTURA DE LOS MATERIALES 2. 25/02/2012 Elaboró Ing. Efrén Giraldo T. 1

Enlace químico Química Inorgánica I

Electroquímica UNIDAD XII-B QUIMICA- CPAM. 2017

TEMARIO DE CINETICA QUIMICA

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR Vicerrectorado Académico

CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES

Síntesis y Caracterización Estructural de los Materiales. Grado en Física.

Alrededor de 1930 Schottky, Frenkel y Wagner proponen su teoría de los defectos puntuales

UTN FRRo FISICOQUIMICA. Guía de Problemas. Entropía Energía Libre de Gibbs Función Trabajo Propiedades Molares Parciales

cromatografía 03/07/2012 INTRODUCCIÓN Etapas de un análisis cuantitativo Curso: Química Analítica II Loreto Ascar 2012 Proceso Analítico

MATERIALES METALICOS 2do Ingeniería Mecánica. Diagramas de Equilibrio de Fases

Un proceso no espontáneo no se produce a menos que se aplique de forma continua alguna acción externa

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Universidad de Santiago de Chile

Difusión y Coeficiente de Difusividad

La expresión que relaciona tiempo y conversión si controla la difusión interna

Reacciones Químicas. (molaridad) pues una mol de sustancia química contiene el mismo número de moléculas.

Es un conjunto de átomos cercanos los cuáles forman una red, la cuál puede ser ordenada o desordenada.

2 cuerpos = enlace 3 cuerpos = angulo 4 cuerpos = angulo torsional

UN MODELO PARA ESTUDIAR LA DIFUSION DE HIDROGENO, NITROGENO Y CARBONO EN HIERRO

Capítulo 7 Diagramas de fase y transformaciones de fase

1. Formación de núcleos estables en el fundido. ( Nucleacion ).

Regla de la palanca. Tratamiento de los metales INACAP. Ciencia De Los Materiales INACAP Copiapó

Programa de Acceso Inclusivo, Equidad y Permanencia PAIEP U. de Santiago. Química. 1. Expresar la velocidad de las siguientes reacciones:

IMPERFECCIONES EN SÓLIDOSS

Conductores Iónicos. BLOQUE IV: CERAMICAS DE ALTAS PRESTACIONES Cerámicas Funcionales

DIFUSIÓN DE VAPOR A TRAVÉS DE UN GAS ESTACIONARIO: FLUJO DE STEFAN CONTRA DIFUSIÓN EQUIMOLAR

Estructuras Cristalinas más usuales de Metales Puros (y de sus soluciones sólidas) Cristales metálicos

Física y Química 1º Bacharelato

CINETICA QUIMICA. ó M s s

Algunas preguntas fundamentales

DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA ESFUNO EUTM TERMODINÁMICA - BIOENERGÉTICA

Movilidad en semiconductores extrínsecos

Departamento de Ingeniería Metalúrgica Universidad de Santiago de Chile

Primera Ley de la Termodinámica

1. MATERIALES Estructuras cristalinas

1. MATERIALES Estructuras cristalinas

FOURIER Y NEWTON). LEY DE FICK PARA DIFUSIÓN

TEMA 1.1 SEMICONDUCTORES TEMA 1 SEMICONDUCTORES. DIODO. FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA

Estudia la velocidad a la que ocurren las reacciones químicas

Balance de masa con reacción química. Balances de masa con reacción química en reactores discontinuos y continuos.

CORRIENTE CONTINUA ÍNDICE

CAP. 1:ESTRUCTURAS CRISTALINAS

Transcripción:

Difusión en estado sólido Movimiento civil de los átomos ( hacia dónde, porqué?) Existen dos formas de estudiar la difusión Modelos atomísticos: se basan en analizar los arreglos atómicos en los solidos y los saltos aleatorios dentro de una estructura cristalina Modelos fenomenológicos: se basan en analizar la composición en un sistema suponiendo que es un medio continuo a través de las leyes de Fick

Difusión

Difusión Sustitucional: movimiento de un átomo en una vacancia adyacente a. En un plano compacto (2 dimensiones) b. En una celda unitaria de un material fcc

Difusión intersticial: plano 111 en un fcc con un átomo intersticial

Tipos de sitios intersticiales Existen dos tipos de sitios intersticiales en cualquiera de las 14 redes de Bravais Octaédricos Tetraédricos Los datos relevantes para los sitios intersticiales son Posición dentro de la celda unitaria Numero de sitios por celda unitaria Distancia de un sitio intersticial al otro Numero de coordinación (sitios intersticiales vecinos) Tamaño del átomo que puede estar en el sitio intersticial

Parámetros importantes de una celda a R

Intersticios en los octahedros fcc y bcc

Intersticios octahedrales en un fcc; 6 átomos rodean el intersticio a 2

Intersticios tetrahedrales en fcc 4 átomos alrededor del intersticio. a 2

2 R a 2 R Intersticios octahedrales en BCC; el C empuja los átomos de Fe

Intersticio tetrahedral en bcc a 2 R a 2 R El intesticio tetrahedral es mayor que el octahedral y es preferido por el C en bcc

Sitios intersticiales en la celda Sitios octaédricos BCC Sitios tetraédricos

Sitios intersticiales en la celda Sitios octaédricos FCC Sitios tetraédricos

Puntos dentro de una celda Algunos puntos de una son de particular interés, por ejemplo los puntos donde se encuentran los átomos Los puntos dentro de una celda se representan con vectores

Repaso Vectores

Distancia entre dos puntos dentro de una celda

Distancia entre dos puntos dentro de una celda Cuál es la distancia entre los puntos: 1.- a(0,0,0) y 2.- a(1,1,1)?

Flujo neto

) ( 6 1 6 1 6 1 2 1 2 1 n n J J J n J n J B B B B B B B B Difusión como flujo de átomos en red cristalina( cúbica simple) Ѓ = Frecuencia de salto 1/6 = probabilidad de salto

x C D J D x C n n J J J B B B B B B B B B B B 2 2 6 1 2 1 6 1 ) ( 6 1 (2)) (1) ( ) ( (2) (1) 2 1 2 1 B B B B C C n n n C n C 1a Ley de Fick (A.D. 1855) s m D dx dc D J 2 ] [ C B (2) = C B (1) + (dc/dx) α α(c B (1) C B (1) -dc/dx α)=- α 2 dc/dx D es la difusividad intrinseca o, por ejemplo, el coeficiente de difusión del C en Fe = D C Fe

EJERCICIO Calculos de Γ para C en acero Valores de D A 1000 o C D C = 2.5 x 10-11 m 2 /s a 0.15% C Dc = 7.7 x 10-11 m 2 / s a 1.74 % C Para C en Fe gamma a 1000 o C calcular Γ: a = 0.37 nm α= a / 2 p = 1/6 para fcc D = α 2 ( p). Γ Γ a 1000º C para 0.15 %C =2 x 10 9 saltos x seg.

Cálculo ejemplo 1 Una placa de acero se coloca entre una atmósfera que es carburante de un lado y descarburante del otro, a 700 C. Existe una condición de estado estacionario. La concentración de C es 1.2 y 0.8 kg/m 3 a 5 y 10 mm respectivamente. El coeficiente de difusión es 3 x 10-11 m²/s a esa temperatura. Determine el flujo de difusión de carbon. J C D x 2.4 10 A A 9 C x B B kg/ m². s (310 11 m² / s) (1,2 0.8) kg/ m³ 3 2 (510 1x10 ) m

² 3.1 ³) / ( 10 8 ) / ² ( 10 3600 0.1 10 8,9 0.1 ³) / ( 0.2)10 (1.0 ) / ² ( 10 ²].3600 [ ³ 100 10 8.9 ³ / 22.400 ³ 100 ) / (2 4 4 3 3 4 3 cm cm g s cm s cm g A cm cm g s cm dx dc D s A cm cm J flujo g mol cm cm mol g

Efecto de temperatura Activación térmica Variación de la energia libre como funcion de la posicion de un átomo intersticiall

Q B D D D B B 0 ID Gm z..exp RT 1 2 S z..exp 6 R Q ID D0 exp RT 1 2 Sm z..exp 6 R H m m exp H RT m= migración, ID= difusión intersticial m Do = Factor de Frecuencia Ecuación de Arrhenius

T D 1/T lnd 1073 1.60E-12 0.00093197-27.1610175 1173 5.10E-12 0.00085251-26.0017806 1273 2.00E-11 0.00078555-24.6352888 1373 5.20E-11 0.00072833-23.6797774 m= -17374= Q/R Q = 34400cal 144377.94 joules lndo = -11.043 Do=1.59e-5 m2/s 1/T logd 0.00093197-11.79588 0.00085251-11.2924298 0.00078555-10.69897 0.00072833-10.2839967-23.5-24 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 logdo 1.60E-05 m= Q/2.3R Q = 34362.6624 cal -24.5-25 -25.5-26 Series1 Lineal (Series1) -26.5-27 -27.5 y = -17374x - 11.043 R² = 0.9956

Se parte de la relación de Energia libre de Gibbs y la constante de equilibrio ΔG =-RTln K Se considera el equilibrio entre los átomos que vibran y los que realmente logran saltar y se escribe su constante de equilibrio : K =átomos que saltan/ átomos que vibran : (Γ/z ) / v) Se relaciona la constante de equilibrio con la energía libre de Gibbs y se despeja ΔG =-RTln K = -RT ln (Γ/z ) / v) -ΔG/RT = ln (Γ/z ) / v Γ = z.v. exp - ΔG/RT Se usa tambien la expresión : ΔG = ΔH - TΔS

DIFUSION SUSTITUCIONAL Los átomos sólo pueden saltar si hay un lugar vacante en una posición adyacente. 1 2 D * A DA 6 G. z. X v.exp RT e Gv X v exp RT m

Difusión Sustitucional Se combinan las probabilidades de encontrar un sitio adyacente y de tener la energía para saltar D D D D Q A A A 0 SD 1 2. z.exp 6 1 2. z.exp 6 Q D0.exp RT 1 2. z.exp 6 H H m sd v S m S R v Gm Gv RT Sm Sv.exp R H m H RT v

CONCENTRACION DE VACANCIAS AL EQUILIBRIO Energía libre molar de un cristal que contiene X v mol of vacancias: G G H X dg dx e v v v A X G G v X e v T. S exp v S R 0 RT.ln v A.exp H Differentiating and making the approximation X v << 1 X e v H RT v v. X v 0 T. S A.exp v. X v H RT v RT ( X exp v.ln G RT X v v (1 X v ).ln(1 X v )) En la práctica ΔH v es del orden de 1 ev por atomo y X v e alcanza un valor de cerca de 10-4 10-3 al punto de fusión del solido.

Efecto de la Temperatura Autodifusión de Cobre: a 800 C : D Cu = 5x10-9 mm²/sec distancia de salto α en Cu : 0.25 nm, P = 1/6 frecuencia de salto: Γ Cu = 5.10 5 saltos/sec a 20 C : D Cu 1x10-34 mm²/sec, Γ Cu 1.10-20 saltos/sec cada átomo hace un salto cada 10 12 years

Tm Do Q Q/RT D a Tm

Observaciones Para un tipo de estructura y enlace Q/RTm es aprox constante. Q se relaciona directamente con Tm( efecto del enlace) Para cada grupo D a Tm y Do aprox. Constante para Fcc y Hcp Q/RTm es aprox. 18 Todos los materiales con una misma estructura y enlace tendrian aproximadamente igual su D a la misma fracción de su temperatura de fusión D(T/TM) = cte

Modelo estadístico (Random Walk) Camino alazar R 2 = n r 2 R = distancia neta n= # de saltos r= distancia de un salto R = r n R = α n

Después de n pasos o saltos de longitud α El átomo promedio será desplazado una distancia neta de: R = α n. Después de un cierto tiempo: t Y con una frecuencia Γ Se tiene R = α Γ t porque n = Γ t. Usando la relación entre Γ y D : D =1/6 Γ α 2, sustituyendo Se tiene: R = 2.4 ( D t). La relación ( D t) es muy importante en difusión, es «la distancia de difusión»

EFECTO DE LA TEMPERATURA Calcular la Frecuencia de salto Гen la difusión de C en Fe: A 925 o C A 20 o C D = 0.12 exp -32000/RT cm 2 /s a = 0.37 nm α = a/ 2 RESULTADO: Г 925 =1.7 x 10 9 saltos /s( 3 x 10 10? )1.5 x 10 9 Г 20 = 2 x 10-9 saltos /s

Cálculos de distancias con el modelo estadístico Calcular la distancia neta recorrida en 4 horas por el C en hierro gamma a 925 o C y a 20 o C. Resultado a 925 o C----- 1.3 mm 1.2mm 20 o C --------1.4 x 10-9 mm(1.17 x 10-9 mm)

Modelo Químico

Down-hill diffusion Difusión normal de + a - 2 A 1 B 1 A 2 B

1 A 2 B 2 A 1 B

Izquierda Acero con 0.48%C y 3.8% Si Derecha acero con 0.44% C sin Si Esquema de la concentración antes de Difusión

G n i Modelo Químico = Potencial Químico J D C X 1ª Ley de Fick Otra forma de ver el Flux J vc g /m 2 s = m/s. g/m 3 2 v M x Velocidad química M = movilidad La fuerza química es x Gradiente de Potencial Químico

Sustituyendo la velocidad se tiene: J M. C x Por Termodinámica: d µ = kt dlna i Sustituyendo e igualando con Fick, se tiene d ln ai J CMkT D dx dc dx

MODELO QUÍMICO Despejando D: D D MkT C dc d ln MkTd ln a i d a i 1 ln C a = γ. C dlna = dlnγ + d lnc D D ( d ln d ln C) MkT d ln C d ln MkT( 1) d ln C γ = coeficiente de interaccion α = actividad En soluciones ideales o diluidas γ es cte y D = MkT

Realmente no se puede medir el potencial químico fácilmente, mucho menos el gradiente. Esto hace que la forma mas convencional de escribir la primera ley de Fick se en términos de concentración.

Una región binaria tiene dos fases de composición definida, independiente de la composición promedio,cada una, con un potencial químico constante µ e igual para poder coexistir al equilibrio; el flux en esa región sería cero, por lo que en un par difusivo solo se verán las regiones monofasicas cuya composición varía.

Vias Rápidas de Difusión