PROPRIEDADES DOS MATERIAIS – 2011 1 ATIVIDADE – AULA 5 Mecanismos de movimento atômico - difusão Solução
1. Explique sucintamente a diferença entre autodifusão e interdifusão. Resposta: Quando átomos hospedeiros se difundem, ocorre o processo de autodifusão e quando átomos de impurezas substitucionais se difundem, ocorre o processo de interdifusão. 2. (a) Compare os mecanismos atômicos de difusão intersticial e por lacunas. (b) Cite duas razões pelas quais a difusão intersticial é normalmente mais rápida que a difusão por lacunas. Resposta: (a) Na difusão intersticial, átomos intersticiais migram para posições intersticiais adjacentes não ocupadas do reticulado. Já na difusão por lacunas um átomo (hospedeiro ou substitucional) se desloca de uma posição normal da rede cristalina para um sítio vago, ou lacuna, adjacente. Em metais e ligas, a difusão intersticial é um mecanismo importante para a difusão de impurezas de raio atômico pequeno em relação aos do hospedeiro. Geralmente, a difusão intersticial é muito mais rápida que a difusão por lacunas. (b) - 1ª Os átomos intersticiais são menores e mais móveis que os átomos hospedeiros. 2ª Existem mais posições intersticiais vazias do que lacunas, gerando maior probabilidade de ocorrência de movimentação atômica intersticial. 3. Explique sucintamente o conceito de estado estacionário e sua aplicação à difusão. Resposta: Estado estacionário é a condição onde a taxa de transferência de massa através de uma determinada área não varia ao longo do tempo. Pode ser aplicada ao fluxo de difusão através de uma superfície, conforme a primeira lei de Fick. 4. (a) Explique o conceito de força motriz. (b) Qual é a força motriz para a difusão em estado estacionário? Resposta: (a) É aquilo que induz a ocorrência de uma reação. (b) Para o estado estacionário a força motriz é o gradiente de concentrações 5. Uma placa de ferro é exposta a uma atmosfera carbonetante (rica em carbono) por um de seus lados, e a uma atmosfera descarbonetante (deficiente em carbono) pelo outro lado, a 700°C (1300oF). Se uma condição de estado estacionário é atingida, calcule o fluxo de difusão do carbono através da placa, sabendo-se que as concentrações de carbono nas posições a 5 e a 10 mm (5x10-3 e 10-2 m) abaixo da superfície carbonetante são de 1,2 e 0,8 kg/m3, respectivamente. Suponha um coeficiente de difusão de 3 X 10-11 m2 /s a essa temperatura. Resposta: A primeira lei de Fíck é usada para determinar o fluxo por difusão. A substituição dos valores acima naquela expressão fornece:
6. Os coeficientes de difusão para o cobre no alumínio a 500 e 600 oC são de 4,8 X 10 -14 e 5,3 X 10-13 m2 /s, respectivamente. Determine o tempo aproximado a 500 oC que irá produzir o mesmo resultado de difusão (em
termos da concentração de Cu em algum ponto específico no AI) que um tratamento térmico a 600 oC com duração de 10 horas. Sugestão: Considerar que a composição em ambos os casos de difusão será igual na mesma posição, isto é, x também é uma constante. Dessa forma podemos escrever que: D.t = constante Resposta: Dt = constante a ambas as temperaturas. Isto é, (Dt)500 = (Dt)600. Então:
7. Calcule o coeficiente de difusão para o magnésio no alumínio a 550oC, sabendo-se que para o Mg a constante de difusão Do vale 1,2 x 10-4 m2 /s e a energia de ativação 131KJ/mol. Resposta:
8. A purificação do gás hidrogênio pode ser realizada por difusão através de uma chapa de paládio. Calcule o número de quilogramas de hidrogênio que passa a cada hora através de uma chapa de paládio com 5 mm de espessura e que possui uma área de 0,20 m2, estando o sistema a 500°C. Considere um coeficiente de difusão de 1,0 X 10-8 m2 /s, que as concentrações de hidrogênio nos lados com alta e baixa pressão sejam de 2,4 e 0,6 kg de hidrogênio por metro cúbico de paládio, respectivamente, e que condições de estado estacionário tenham sido atingidas. Resposta: O processo de difusão acontece em regime estacionário. Assim sendo, deve ser empregada, para o cálculo, a primeira lei de Fick: Área = 0,20 m2 T = 500oC = 773 K e = 5 mm = 5x10-3m D = 1,0 X 10-8 m2 /s 1h = 3600s
9. A qual temperatura o coeficiente de difusão para a difusão do cobre no níquel possui um valor de 6,5 x 10-17 m2 /s? Dados: Do = 2,7x10-5 m2 /s; Qd = 256 KJ/mol. Resposta:
10. Carbono se difunde através de uma placa de aço com 15 mm de espessura. As concentrações de carbono nas duas faces são de 0,65 e 0,30 kg C/m 3 Fe e são mantidas constantes. Se a constante Do e a energia de ativação (Qd) são de fluxo de difusão (J) é de Resposta:
e
respectivamente, calcule a temperatura na qual o
