• Categories
• Fase (Materia)
• Difusión
• Concentración
• Aleación
• Equilibrio químico

Citation preview

República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para Educación Universitaria, Ciencia y Tecnología Universidad José Antonio Páez Sección: 205N1

DIFUSIÓN

Equipo número 5 Integrantes: Oscar Quevedo C.I.: 22.428.092 Isabella Gonzales C.I.: 26.581.126 Manuel Tami C.I.:24.387.998 Victor Mujica C.I.:23.409.801

San Diego, 9 de Abril de 2019

ÍNDICE

1. Introducción…………………………………………………………………..……..3 2. Difusión………………………….………………………………………………..…4 3. Mecanismo de difusión ………………………………………….….........................5 4. Leyes de Fick ……………………………………………..…..…………..……..….7 5. Proceso de crecimiento de los cristales ………………………………………….….8 6. Solidificación en condiciones de equilibrio ………………………………….……10 7. Colada continua……………………………………………………………..….…..13 8. Efecto de la solidificación en las propiedades de los materiales……………..…….14 9. Problema de Esfuerzo y Deformación……………………………………….…….17 10. Conclusión…………………………………………………………………….……18 11. Bibliografía…………………………………………………………………….…..19

INTRODUCCIÓN

A continuación, en el presente trabajo se hablarán sobre varios temas que están relacionados con un proceso físico irreversible llamado “difusión” el cual se basa en principios atómicos y moleculares de los materiales, donde las moléculas de un medio de menor concentración pasan a uno de mayor concentración, sin la generación adicional de energía. También se hablará sobre como este proceso afecta a los sólidos, particularmente a los metales y algunas leyes establecidas por un médico y fisiólogo alemán Adolf Fick, que las derivó en 1855, y sirven para describir matemáticamente el proceso de difusión de materia en un medio en el que inicialmente no existe equilibrio químico o térmico. Así como también distintos procesos relacionados a la materia y a la difusión los cuales son muy importantes en la industria.

Difusión La difusión (también difusión molecular) es un proceso físico irreversible, en el que partículas materiales se introducen en un medio en el que inicialmente estaba ausente, aumentando la entropía (desorden molecular) del sistema conjunto formado por las partículas difundidas o soluto y el medio donde se difunden o disuelven. Es decir, la difusión se refiere al movimiento de moléculas de una sustancia, gas o líquido, de un medio de menor concentración a un de mayor concentración, sin la generación adicional de energía. La membrana permeable puede permitir el paso de partículas y disolventes, pero siempre a favor de un gradiente de concentración. La difusión, proceso que no requiere aporte energético, es frecuente como forma de intercambio celular.

Ejemplo de la membrana

Es necesaria la difusión para el tratamiento térmico de los metales, la manufactura de los cerámicos, la solidificación de los materiales, la fabricación de transistores y celdas solares y la conductividad eléctrica de muchos cerámicos. Si comprendemos cómo se transfiere la masa mediante la difusión, podremos diseñar técnicas de procesamiento de materiales, dispositivos a prueba de fugas, e incluso equipo de purificación. El fenómeno de difusión se puede demostrar mediante el par difusor formado por la unión de dos metales puestos en contacto (Cu-Ni).Este par se calienta a elevada temperatura durante un largo período de tiempo y luego se enfría. El análisis químico revela: Cu y Ni en los extremos separados por una región de aleación. La composición de ambos metales varía con la distancia

Este tipo de difusión se le conoce como auto difusión, donde dos metales puros de distinto tipo intercambian posiciones atómicas.

Mecanismo de difusión En materiales sólidos, los átomos están en continuo movimiento, cambian rápidamente de posición para que haya movilidad tiene que darse que: 1) Un lugar vecino vacío 2) El átomo debe tener suficiente energía como para romper los enlaces con átomos vecinos y distorsionar la red durante el desplazamiento. A varios tipos de mecanismos en los sólidos (ocurren más en los metales): a) Mecanismo Cíclico Al realizarse este mecanismo, unos cuantos átomos (tres o más) situados más o menos en un círculo se mueven coordinadamente de modo que todo el aro de átomos da vuelta a una distancia interatómica.

b) Mecanismo de Aglomeración El crowd es un grupo de átomos aglomerados o acumulados, comúnmente a lo largo de un empaquetamiento denso, debido a la presencia en la fila de uno o varios átomos excesivos. Cada uno de los átomos de esta fila, incluso los apartados del átomo sobrante a unas diez distancias interatómicas, está desplazado a cierta distancia respecto a la posición de equilibrio de la red. c) Mecanismo de Vacancia En toda la red cristalina, sobre todo a temperaturas elevadas, hay vacancias (huecos).Las vacancias brindan la posibilidad de que la difusión se produzca por el intercambio entre un átomo y una vacancia. El paso de los átomos a los sitios vacantes equivale a la traslación de algunas en dirección contraria a la del movimiento de los átomos. El mecanismo de vacancia se realiza durante la autodifusión y la formación de soluciones sólidas de sustitución. d) Mecanismo Internodal En este caso el átomo se desplaza dentro del cristal, saltando de un espacio internodal a otro e) Difusión intersticial Mecanismo de difusión que implica átomos que van desde una posición intersticial a otra vecina desocupada. El mecanismo tiene lugar por interdifusión de solutos(C, H, N y O) que tiene átomos pequeños. Los solutos sustitucionales raramente ocupan posiciones intersticiales y no difunden por este mecanismo.

Esquema de diferentes mecanismos de la difusión en los metales: 1. De intercambio; 2.ciclico; 3. De vacancia; 4 y 5. Internodal (directo y por desalojamiento); 6. De aglomeración (crowd)

Leyes de Fick Las leyes de Fick sobre la difusión son leyes cuantitativas, escritas en forma de ecuación diferencial que describen matemáticamente al proceso de difusión de materia o energía en un medio en el que inicialmente no existe equilibrio químico o térmico. Reciben su nombre del médico y fisiólogo alemán Adolf Fick (1829-1901), que las derivó en 1855. Estas leyes pueden ser utilizadas para resolver el coeficiente de difusión, D. Se puede utilizar la primera ley de Fick para derivar la segunda ley, la cual resulta idéntica a la ecuación de difusión. Primera ley de fick La primera ley de Fick relaciona al flujo difusivo con la concentración bajo la asunción de un estado estacionario. Esta ley postula que el flujo va desde una región de alta concentración a las regiones de baja concentración, con una magnitud que es proporcional al gradiente de concentración (derivada espacial), o en términos más simples el concepto de que el soluto se moverá desde una región de alta concentración a una de baja concentración atravesando un gradiente de concentración. En una única dimensión (espacial), la ley toma la forma:

Segunda ley de fick La segunda ley de Fick predice la forma en que la difusión causa que la concentración cambie con el tiempo. Se trata de una ecuación diferencial parcial que en una dimensión se escribe:

Proceso de crecimiento de los cristales Antes de empezar a hablar de esto se tiene que saber que es nucleación La nucleación se produce como consecuencia de rápidas fluctuaciones locales a escala molecular en una fase homogénea que está en estado de equilibrio metaestable. Los núcleos cristalinos se pueden formar a partir de moléculas, átomos, o iones. En soluciones acuosas pueden ser hidratados. Debido a sus rápidos movimientos, estas partículas reciben el nombre de unidades cinéticas. Para un volumen pequeño del orden de 100 oA, la teoría cinética establece que las unidades cinéticas individuales varían grandemente en localización, tiempo, velocidad, energía, y concentración. Los valores, aparentemente estacionarios, de las propiedades intensivas, densidad, concentración y energía, correspondientes a una masa macroscópica de solución, son en realidad valores promediados en el tiempo de fluctuaciones demasiado rápidas y pequeñas para poder ser medidas a escala macroscópica. Debido a las fluctuaciones, una unidad cinética individual penetra con frecuencia en el campo de fuerza de otra u las dos partículas se unen momentáneamente, lo normal es que se separen inmediatamente, pero, si se mantienen unidas, se le pueden unir sucesivamente otras partículas. Las combinaciones de este tipo reciben el nombre de agregados. La unidad de partículas, de una en una, a un agregado constituye una reacción en cadena que se puede considerar como una seria de reacciones químicas reversibles de acuerdo con el siguiente esquema: A1 + A2A2

A2 + A3A3 Am-1 + AmAm Donde A1 es la unidad cinética elemental, y el subíndice representa el número de unidades que forman el agregado. Cuando m es pequeño, un agregado no se comporta como una partícula que forma una nueva fase con una identidad y limite definidos. Al aumentar m, el agregado se puede ya reconocer y recibe el nombre de embrión. La inmensa mayoría de los embriones tienen una vida muy corta, rompiéndose para volver formar agregados o unidades individuales. Sin embargo, dependiendo de la sobresaturación, algunos embriones crecen hasta un tamaño suficiente para alcanzar el equilibrio termodinámico con la solución. En este caso el embrión recibe el nombre de núcleo. El valor de m para un núcleo está comprendido en el intervalo de unas pocas unidades a varios centenares. El valor de m para los núcleos de agua líquida es del orden de 80. Los núcleos se encuentran en equilibrio inestable: si pierden unidades se disuelven y si las ganan se transforman en un cristal, la secuencia de etapas en la formación de un cristal es por consiguiente

Agregado => embrión => núcleo => cristal Velocidad de cristalización La velocidad de crecimiento de un cristal es conocida como velocidad de cristalización. La cristalización puede ocurrir solamente desde soluciones sobresaturadas. El crecimiento ocurre primero con la formación del núcleo, y luego con su crecimiento gradual. En concentraciones arriba de la sobresaturación, la nucleación es concebida como espontánea, y rápida. En la región metaestable, la nucleación es causada por un golpe mecánico, o por fricción y una nucleación secundaria puede resultar del rompimiento de cristales ya formados. El crecimiento del cristal es un proceso capa por capa y, ya que sólo puede ocurrir en la cara del cristal, es necesario transportar material a la cara, desde la solución. Por consiguiente, debe considerarse la resistencia de difusión al desplazamiento de las moléculas (o iones) hacia la cara creciente del cristal y la resistencia a la integración de estas moléculas a la cara. Caras diferentes pueden tener velocidades de crecimiento distintas y estas se pueden tener velocidades de crecimiento distintas y éstas se pueden alterar en forma selectiva mediante la adición o eliminación de impurezas.

Solidificación en condiciones de equilibrio Diagramas de fase: Son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones. La mayoría de los diagramas de fase han sido construidos según condiciones de equilibrio (condiciones de enfriamiento lento), siendo utilizadas por ingenieros y científicos para entender y predecir muchos aspectos del comportamiento de los materiales. Los diagramas de fases más comunes involucran temperatura versus composición. Diagrama isomorfo (Solubilidad Sólida Completa): Un diagrama de fases muestra las fases y sus composiciones para cualquier combinación de temperatura y composición de la aleación. Cuando en la aleación sólo están presentes dos elementos, se puede elaborar un diagrama de fases binario. Se encuentran diagramas de fases binarios isomorfos en varios sistemas metálicos y cerámicos. En los

sistemas isomorfos, sólo se forma una fase sólida; los dos componentes del sistema presentan solubilidad sólida ilimitada. Información que podemos obtener de los diagramas de fase: -Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). -Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro. -Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación. -Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases.

Representación de un diagrama isomorfo

Temperaturas de líquidus y de sólidus: La curva superior en el diagrama es la temperatura de líquidus. Se debe calentar una aleación por encima de líquidus para producir una aleación totalmente líquida que pueda ser colocada para obtener un producto útil. La aleación líquida empezará a solidificarse cuando la temperatura se enfríe hasta la temperatura de líquidus. La temperatura de sólidus es la curva inferior. Una aleación de este tipo, no estará totalmente sólida hasta que el metal se enfríe por debajo de la temperatura de sólidus. Si se utiliza una aleación cobre-níquel a altas temperaturas, deberá quedar seguro que la temperatura durante el servicio

permanecerá por debajo de la temperatura de sólidus, de manera que no ocurra fusión. Las aleaciones se funden y se solidifican dentro de un rango de temperatura, entre el líquidus y el sólidus. La diferencia de temperatura entre líquidus y sólidus se denomina rango de solidificación de la aleación. Dentro de este rango, coexistirán dos fases: una líquida y una sólida. El sólido es una solución de átomos de los compuestos involucrados; a las fases sólidas generalmente se les designa mediante una letra minúscula griega, como alpha.

La línea azul representa el rango de temperatura de solidificación de la aleación niquelcobre

Fases presentes: A menudo, en una aleación a una temperatura en particular interesa saber qué fases están presentes. Si se planea fabricar una pieza por fundición, debe quedar seguro que inicialmente todo el metal esté líquido; si se planea efectuar un tratamiento térmico de un componente, se debe procurar que durante el proceso no se forme líquido. El diagrama de fases puede ser tratado como un mapa de carreteras; si se sabe cuáles son las coordenadas, temperatura y composición de la aleación, se podrán determinar las fases presentes.

Composición de cada fase: Cada fase tiene una composición, expresada como el porcentaje de cada uno de los elementos de la fase. Por lo general, la composición se expresa en porcentaje en peso (% peso). Cuando está presente en la aleación una sola fase, su composición es igual a la de la

aleación. Si la composición original de la aleación se modifica, entonces también deberá modificarse la de la fase. Sin embargo, cuando coexisten dos fases como líquido y sólido, sus composiciones diferirán entre sí como de la composición general original, Si ésta cambia ligeramente, la composición de las dos fases no se afectará, siempre que la temperatura se conserve constante.

Colada continúa La colada o vaciado es uno de los procesos más antiguos que se conocen para trabajar los metales, es el proceso que da forma a un objeto al entrar material líquido en una cavidad formada en un bloque de arena aglomerada u otro material que se llama molde y dejar que se solidifique el líquido. En casi todos los hogares y oficinas hay numerosos objetos hechos por colada o moldeo. El automóvil normal emplea una gran variedad de piezas de diferentes materiales, hechas con diversos procedimientos de colado o vaciado. Colada continua es un procedimiento con el que se producen barras que avanzan y se solidifican a medida que se va vertiendo el metal líquido en una lingotera sin fondo, que se alimenta indefinidamente. Con este proceso se pueden formar, directamente del acero líquido, secciones semiacabadas sin tener que pasar por la fase de lingote y las etapas de recalentamiento y de laminación de desbaste. Proceso En una lingotera abierta por ambos extremos y enérgicamente refrigerada, se forma una capa sólida en la vena de la colada que se cuela por su interior. Se hace descender la capa sólida llena de metal líquido que se desprende de la lingotera por contracción al enfriarse, para hacer progresar en el aire la solidificación a la totalidad de la barra. En este caso la lingotera es el molde.

Efecto de la solidificación en las propiedades de los materiales La diferencia fundamental que se encuentra entre la microestructura obtenida en proceso reversible y aquellas otras conseguidas con una determinada velocidad de enfriamiento, consiste en que los espacios interdendríticos se hacen mayores con el aumento de la velocidad de enfriamiento, dando cabida a una u otra fase que rellena los espacios interdendríticos y que hace de matriz de unión de todas las dendritas. Podría pensarse que ambos granos, dendritas e interdendritas, corresponden a la misma fase como exigiría el cumplimiento del diagrama de equilibrio y así puede ser desde el punto de vista cristalográfico: El tipo de red de ambas fases puede ser el mismo. Sin embargo, desde el punto de vista de comportamiento, características resistentes o eléctricas, columna HV, nos lleva a concluir que son dos fases diferenciadas. En efecto, la fase segregada tiene menor dureza, más ductilidad y es más rica en el componente de menor punto de fusión. A este fenómeno causado por la velocidad de enfriamiento, que favorece la formación de una fase interdendrítica más plástica y menos resistente se denomina segregación dendrítica. El fenómeno de segregación dendrítica Si estudiamos la cinética de enfriamiento de una aleación, con diagrama de solubilidad total en estado sólido, A(B) con el 30% del elemento B, en la figura , observamos que la solidificación empieza a la temperatura T1, formando una solución sólida de composición a1.

En T2, el líquido está en L2 y la solución sólida que se forma ahora es de composición a2. Como la difusión es demasiado lenta para conservar el mismo ritmo que el crecimiento cristalino, no se tendrá suficiente tiempo para lograr uniformidad en el sólido, y la composición promedio estará entre a1 y a2, por ejemplo a2’. Conforme la temperatura desciende, la composición promedio de la solución sólida sigue una línea sólidus fuera de equilibrio, desde a1 hasta a5', que se muestra punteada en la figura. Por otra parte, el líquido tiene esencialmente la composición dada por la línea líquidus, ya que la difusión es relativamente rápida en el líquido. En T3, la solución sólida promedio será de composición a3' en vez de a3.

Figura de mecanismo de segregación dendrítica. Bajo un enfriamiento en equilibrio, la solidificación debe completarse en T4, sin embargo, como la composición promedio de la solución sólida, a4', no ha alcanzado la composición de la aleación, se tendrá un remanente del líquido. Al aplicar la regla de la palanca en T4, se tiene: % a4' = T4L4 / a4'L4 = 75% % L4 = T4 a4' / a4'L4 = 25% La solidificación continuará hasta que se alcance T5. A esta temperatura, la composición de la solución sólida a5' coincide con la composición de la aleación, y la solidificación es completa. El último líquido que se solidifica, L5, es más rico en B que el último líquido que se hubiera solidificado bajo condiciones de equilibrio. En resumen, el enfriamiento rápido, fuera de equilibrio, genera un intervalo mayor de temperatura en el cual el líquido y el sólido están presentes al mismo tiempo. La última

solidificación ocurre a una temperatura más baja que la predicha por el diagrama de equilibrio. El último líquido en solidificarse tendrá una concentración mayor del metal que presenta el menor punto de fusión. Cuanto mayor sea la rapidez de enfriamiento, más grandes serán los efectos mencionados. El diagrama de solidificación real muestra los cambios de fases desplazados a temperaturas inferiores y pseudofases, a', a", en estado sólido, diferenciadas en su composición, aunque no en la estructura.

Problema de Esfuerzo y Deformación Un cable utilizado por una grúa de carga, de 4 m de longitud y 0.6 cm2 de sección transversal se alarga 0.6 cm cuando se suspende de uno de sus extremos un cuerpo de 500 kg, estando fijo el otro extremo. Encuentra: a) el esfuerzo b) la deformación unitaria c) el Módulo de Young Datos L0 = 4 m

Conversiones 1×104 𝑚2

A = 0.6 cm2 = 6 x 10-5 m2

0.6 cm2 (

∆L= 0.6 cm = 6 x 10-3 m

0.6 cm (

m = 500 kg. g = 9.8 m/s2

Fórmulas y Desarrollo F = mg F = (500 kg)( 9.8 m/s2)

F = 4 900 N

𝐹

E=𝐴 4900𝑁

E = 6𝑥10−5 𝑚2

E = 8.17x107 Pa

∆𝐿

DU = 𝐿 DU =

0

6𝑥10−3 𝑚 4𝑚

DU= 1.5x10-3

𝐸

Y = 𝐷𝑈 Y=

𝟖.𝟏𝟕𝐱𝟏𝟎𝟕 𝐏𝐚 𝟏.𝟓𝐱𝟏𝟎−𝟑

Y= 5.45x1010 Pa

1𝑐𝑚2

1×102 𝑚 1𝑐𝑚

) = 0.6 × 104 𝑚2

) = 0.6 × 102 𝑚

CONCLUSIÓN

En este trabajo se pudo evidenciar lo que se había dicho previamente, el cómo funciona y el por qué del proceso de difusión, así como también sus mecanismos y procesos respectivos que se llevan a cabo mediante sus leyes. Es importante resaltar que la difusión es necesaria la difusión para el tratamiento térmico de los metales, la manufactura de los cerámicos, la solidificación de los materiales, la fabricación de transistores y celdas solares y la conductividad eléctrica de muchos cerámicos.

BIBLIOGRAFÍA

https://es.wikipedia.org/wiki/Leyes_de_Fick http://materias.fi.uba.ar/6713/difusion-repaso.pdf https://www.significados.com/difusion/ https://es.wikipedia.org/wiki/Difusi%C3%B3n_(f%C3%ADsica) https://www.scribd.com/doc/99268661/DIFUSION-Y-MECANISMOS-DE-DIFUSION https://www.textoscientificos.com/quimica/cristales/crecimiento-cristales http://argenisbrito.tripod.com/ https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm05/pfcm5_4_3.html