Lista de Exercícios No 1 - Laboratório de Hidrogênio || Coppe-UFRJ

Universidade Federal do Rio de Janeiro
Escola Politécnica
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
EET – 314 Transformação de Fases
Prof. Paulo Emílio Valadão de Miranda
([email protected])
Monitor – Vinícius Borges Fonseca
([email protected])
Gabarito da lista de exercícios Nº 1
1. Dê uma definição completa de difusão no estado sólido?
R: A difusão é o transporte da matéria na própria matéria, através da movimentação atômica,
havendo necessariamente, uma distância líquida percorrida. A difusão atômica ocorre através
da mudança de posição de átomos desde locais onde o potencial químico é mais elevado até
locais onde o mesmo é menor.
2. Explique o que diferencia a difusão de uma movimentação atômica?
R: Para ocorrer a difusão é necessária a movimentação atômica com uma distancia liquida
percorrida. Quando um átomo se movimenta para outros sítios da rede cristalina e volta ao seu
ponto de origem houve movimentação atômica, mas não difusão, porque não houve uma
distância líquida percorrida.
3. Qual a força motriz para a difusão?
R: A força motriz para a difusão é o gradiente de potencial químico.


n
i

n ,P
,T

G

i 


j
4. Defina, dê dois exemplos de cada e ressalte uma aplicação prática de
cada para a difusão intersticial e a difusão substitucional.
R: Difusão intersticial é feita por átomos de pequeno tamanho em comparação aos átomos da
rede, que ocupam posições intersticiais, e se difundem através desses sítios.
Exemplos:


Carbono se difundindo no ferro, tornando o aço mais dúctil e tenaz;
Hidrogênio se difundindo no ferro e no aço, tornando o aço mais frágil.
Difusão substitucional é feita por átomos de tamanho próximo aos da rede, que ocupam pontos
da rede.
Exemplos:
 Difusão do chumbo no cobre, tornando o cobre mais frágil;
 Difusão de níquel no cobre. Entre duas camadas de cobre e aço, coloca-se níquel para
evitar que o cobre se difunda para o contorno de grão do aço, fragilizando o
componente.
5. Quantos interstícios octaédricos e tetraédricos existem por átomo da
célula unitária nas estruturas cúbica de corpo centrado e cúbica de
faces centradas ?
R: Na estrutura CFC existem:
R: Na estrutura CFC ( 4 átomos por célula) existem:
8/4 interstícios tetraédricos por célula (1 interstício no centro de cada um dos 4 tetraedros
superiores + 1 interstício no centro de cada um dos 4 tetraedros inferiores)
4/4 interstícios octaédricos por célula (1 no centro + ¼ de interstício em cada um das 12
arestas)
Na estrutura CCC ( 2 átomos por célula) existem:
6/2 interstícios octaédricos por célula (1/2 interstício em cada uma das 6 faces + ¼ de
interstício em cada uma das 12 arestas)
12/2 interstícios tetraédricos por célula (4 interstícios em cada uma das 6 face, sendo cada um
correspondendo a 1/2 de interstício)
6. Defina a primeira e a segunda Leis de Fick, indicando suas expressões
matemáticas e os significados físicos de cada um dos seus parâmetros.
R:
 dC 
J   D

 dX 
1ª Lei de Fick → Relaciona o fluxo de átomos através de
uma certa área quando existe um gradiente de concentração com o tempo.
 C 
 D

C
X 
 
t
X
2ª Lei de Fick → É utilizada quando o gradiente de
concentração varia com o tempo, que é comum na maioria das aplicações .
Onde:
J = fluxo através da área
D = coeficiente de difusão
C = concentração
X = posição
7. Por que o caminho total percorrido por um átomo em processo de difusão
é tão maior do que a distância líquida efetiva da difusão?
R: Isso ocorre porque o gradiente de potencial químico faz com que os átomos tenham uma
tendência a se deslocar em um sentido, assim os saltos atômicos são aleatórios, e nem
sempre serão na direção necessária para a difusão. Dessa forma os átomos durante a difusão
percorrem uma distância muito maior que a distância líquida. Um átomo em curso de difusão
busca os locais vizinhos a ele de menor potencial químico.
8. Cite e explique dois exemplos de fatores que influenciam na difusão.
R:
Temperatura, além de aumentar o número de átomos com energia
suficiente para se difundir, aumenta o número de lacunas. Também tem uma
grande influência sobre o coeficiente de difusão
Composição química, as espécies difusivas, bem como o material
hospedeiro, influenciam na difusão pois cada elemento químico tem seu
coeficiente de difusão próprio em uma certa estrutura cristalina.
Estrutura cristalina, o coeficiente de difusão dos átomos de carbono no Fe
CCC é maior do que no Fe com estrutura CFC, pois o sistema CCC tem um fator
de empacotamento menor, por exemplo.
9. O que é o efeito Kirkendall e com que objetivo é usado?
R: Em um par de difusão são colocados fios insolúveis nos planos da rede. Conforme ocorre a
difusão, a interface se movimenta, causando o deslocamento dos fios. Esse deslocamento dos
fios inertes é chamado efeito Kirkendall. A partir dessa experiência é possível determinar qual
metal se difunde com maior velocidade e utilizando outros dados é possível determinar os
coeficientes de difusão.
10.
Que caminhos preferenciais podem existir num material, capazes de
facilitar o processo de difusão, resultando numa cinética de difusão mais
rápida?
R: Em superfícies livres observa-se que a velocidade de difusão é muito mais alta que no
interior do material, devido a baixa energia de ativação necessária para que ocorra o salta.
Outras regiões de grande difusibilidade são os contornos de grãos, as linhas de discordância .
11. Explique por que a difusão intersticial é mais rápida do que a
substitucional.
R: Por que os átomos intersticiais são mais móveis e na estrutura cristalina
existem mais interstícios do que lacunas.