Difusión - Tema 5
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Questions and Answers

¿Qué describe el fenómeno de la difusión?

  • El transporte de átomos o especies por su movimiento. (correct)
  • La compresión de sustancias sólidas a altas temperaturas.
  • El movimiento de partículas en un fluido en reposo.
  • La separación de compuestos químicos por destilación.

¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la autodifusión es correcta?

  • Se da en el cambio aleatorio de posiciones de los átomos. (correct)
  • No depende de la temperatura del material.
  • Es un mecanismo que solo se da en líquidos.
  • Es más lenta que la difusión por vacantes.

¿Qué factor afecta la velocidad de difusión por vacantes?

  • La cantidad de vacantes presentes. (correct)
  • La presión ejercida sobre el material.
  • El tamaño de las partículas involucradas.
  • La temperatura externa del ambiente.

¿Qué tipo de partículas suelen desplazarse en la difusión intersticial?

<p>Átomos pequeños como H, C, N, O. (C)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es el requisito fundamental para que ocurra la difusión?

<p>La suficiente energía para superar la barrera de activación. (B)</p> Signup and view all the answers

¿Qué representa la ecuación de Arrhenius en el contexto de la difusión?

<p>La velocidad de un proceso de difusión. (B)</p> Signup and view all the answers

¿Qué mecanismo de difusión se relaciona con el movimiento de átomos ocupando vacantes?

<p>Difusión por vacantes. (D)</p> Signup and view all the answers

¿Qué condiciones favorecen la difusión?

<p>Altos gradientes de concentración y temperaturas elevadas. (A)</p> Signup and view all the answers

¿Qué proceso se utiliza para aumentar la dureza de la superficie del acero de engranajes?

<p>Carburización (C)</p> Signup and view all the answers

¿Qué describe el flujo de difusión en estado estacionario?

<p>El flujo es constante y depende del gradiente de concentración. (D)</p> Signup and view all the answers

En el proceso de carburización, ¿qué se busca lograr al aumentar el contenido de carbono en la superficie?

<p>Mejorar la dureza (A)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la temperatura típica en el proceso de carburización?

<p>927 ℃ (A)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la condición para que se establezca un flujo de difusión constante?

<p>La concentración de los átomos debe ser constante en ambos extremos. (C)</p> Signup and view all the answers

¿Qué se realiza durante la etapa de 'predeposición' en la difusión de impurezas en silicio?

<p>Difusión de impurezas a presión constante (A)</p> Signup and view all the answers

¿Qué establece la primera ley de Fick?

<p>El flujo es proporcional al gradiente de concentración. (B)</p> Signup and view all the answers

En qué proceso se utilizan temperaturas de 900-1000 ℃ durante menos de una hora?

<p>Predeposición (C)</p> Signup and view all the answers

En el contexto de la difusión, ¿qué se entiende por 'perfil de concentración lineal'?

<p>La concentración cambia linealmente a través del material. (C)</p> Signup and view all the answers

Qué se busca principalmente en la etapa de 'Drive-in' en el tratamiento de obleas de silicio?

<p>Transportar impurezas hacia el interior del material (B)</p> Signup and view all the answers

Si se tiene un disco de hierro carburizado, ¿qué determinará el flujo de carbono a través de él?

<p>La diferencia de concentración de carbono en ambos lados. (B)</p> Signup and view all the answers

Para calcular el flujo de difusión, ¿qué información es necesaria?

<p>El área y la diferencia de concentración. (C)</p> Signup and view all the answers

¿Qué significa el dato 'D927°C = 1.28 x 10-11 m2/s' utilizado en carburización?

<p>Es el coeficiente de difusión del carbono (B)</p> Signup and view all the answers

¿Qué representa el coeficiente de difusión (D)?

<p>La resistencia al flujo de masa. (C)</p> Signup and view all the answers

¿Qué contenido de carbono se espera en la superficie del acero después de la carburización?

<p>0.90% (D)</p> Signup and view all the answers

¿Qué se entiende por difusión en estado no estacionario?

<p>El flujo de difusión depende del tiempo y la posición. (A), La concentración superficial es constante en todo momento. (D)</p> Signup and view all the answers

Al tratar una oblea de silicio para aumentar la concentración de P, ¿qué se necesita calcular primero?

<p>El gradiente de concentración. (D)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es una condición necesaria para aplicar la segunda ley de Fick en estado estacionario?

<p>La concentración superficial debe ser constante. (C)</p> Signup and view all the answers

¿Qué indica la función de error gaussiana en el contexto de la difusión?

<p>Permite conocer la concentración en función del tiempo y la posición. (A)</p> Signup and view all the answers

¿Cuáles son los factores que afectan la difusión?

<p>Temperatura y coeficiente de difusión. (C)</p> Signup and view all the answers

En condiciones no estacionarias, ¿cómo se comporta la concentración de la especie que difunde?

<p>Varía con el tiempo y la posición. (C)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es el valor de C en el punto x=0 y t=0 según la ley de Fick?

<p>C = Cs (D)</p> Signup and view all the answers

¿Qué se puede afirmar sobre D en situaciones donde depende de la composición?

<p>No puede ser aplicada la segunda ley de Fick. (C)</p> Signup and view all the answers

En la difusión, ¿qué papel juegan las condiciones de contorno?

<p>Dependiendo de ellas, se determinará la solución de la segunda ley de Fick. (D)</p> Signup and view all the answers

¿Qué propiedad proporcionan los iones o huecos en los materiales cerámicos mencionados?

<p>Proporcionan propiedades conductoras (D)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es el efecto de la oxidación en el aluminio según el contenido?

<p>Formación de Al2O3 que impide la oxidación continua (A)</p> Signup and view all the answers

En el proceso de sinterizado, ¿cuál es el objetivo principal?

<p>Disminuir el tamaño de los poros (D)</p> Signup and view all the answers

En el crecimiento de granos, ¿qué ocurre con los granos mayores?

<p>Crecen a costa de los granos más pequeños (B)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es la función de la capa cerámica (YSZ) en las hojas de turbinas?

<p>Previene la oxidación a alta temperatura (B)</p> Signup and view all the answers

¿En qué etapas se divide el proceso de enlazado por difusión?

<p>Tres etapas: Unión a alta temperatura y presión, Difusión a lo largo de límites de grano, Difusión por volumen (D)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es una de las aplicaciones mencionadas para evitar la difusión de CO2?

<p>Botellas de plástico para bebidas carbonatadas (D)</p> Signup and view all the answers

¿Qué efecto tiene el quenching en las estructuras obtenidas?

<p>Previene la difusión y crea estructuras no en equilibrio. (A)</p> Signup and view all the answers

¿Cómo se relaciona el coeficiente de difusión D con la temperatura?

<p>Depende de la temperatura mediante una relación tipo Arrhenius. (A)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es una característica de la difusión en materiales iónicos comparado con los metálicos?

<p>La difusión es más lenta debido a alta repulsión eléctrica. (A)</p> Signup and view all the answers

¿En qué región del material se da una difusión más frenada?

<p>En bulk. (A)</p> Signup and view all the answers

¿Qué determina la permeabilidad de un polímero?

<p>La reactividad y facilidad de degradación del polímero. (A)</p> Signup and view all the answers

¿Cuál es el primer paso en el proceso de difusión en polímeros?

<p>La disolución de la molécula en la membrana. (A)</p> Signup and view all the answers

¿Qué sucede al cambiar de empaquetamiento entre BCC y FCC?

<p>Se produce discontinuidad en la difusión. (B)</p> Signup and view all the answers

¿Cómo afecta la temperatura y la energía de enlace en la difusión?

<p>Están directamente relacionadas con el coeficiente de difusión. (A)</p> Signup and view all the answers

Flashcards

Diffusion

The movement of atoms or other species due to a concentration gradient and temperature.

Interdiffusion

Diffusion of different types of atoms in a material.

Diffusion Mechanisms (Solids)

Different ways atoms move in solids, including vacancy diffusion and interstitial diffusion.

Vacancy Diffusion

Atom movement in solids by occupying vacancies (empty spaces).

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Interstitial Diffusion

Atom movement in solids by moving into interstitial sites (spaces between atoms).

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Arrhenius Equation

Equation that describes diffusion's speed depending on activation energy and temperature.

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Activation Energy

The minimum energy needed for an atom to move.

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Autodiffusion

Diffusion where atoms of the same type move through the material

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Steady-State Diffusion

Diffusion where the flow rate remains constant over time, maintaining a constant concentration gradient.

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Fick's First Law

Describes steady-state diffusion; the diffusion rate (flux) is proportional to the concentration gradient.

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Diffusion Coefficient (D)

A material property determining how easily atoms diffuse at a given temperature.

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Concentration Gradient

The change in concentration of a substance over distance; a driving force for diffusion.

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Diffusion Flux

The mass of diffusing substance passing through a unit area per unit time.

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Steady-State Diffusion Example

Example of diffusion through a material where concentrations are stable at different points along a path.

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Carburizing

Process of increasing carbon concentration in a material.

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Atomic Concentration (at%)

Measure of one element's concentration within a material, expressed as a percentage relative to the total atoms.

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Non-steady-state diffusion

Diffusion where the diffusion flux and concentration gradient depend on time, and the concentration of the diffusing species changes with both time and position.

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Steady-state diffusion

Diffusion where the diffusion flux and concentration gradient are constant over time; not applicable to most real-world cases.

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Second Fick's Law

A law that describes diffusion in non-steady-state scenarios, relating diffusion flux to concentration gradient and diffusion coefficient if the diffusion coefficient is independent of the concentration.

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Semi-infinite Solid

A solid where diffusion takes place from one surface (and extends infinitely far in the other direction), with constant surface concentration.

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Gaussion Error Function

A mathematical function used to describe the concentration of a solute at a given time and position in a semi-infinite solid, if you know the initial concentration, surface concentration, and the diffusion coefficient.

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Diffusion Coefficient (D)

A measure of how quickly atoms diffuse through a material; affected by various factors.

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Surface Concentration (Cs)

The concentration of a diffusing species at the surface of a material, often constant.

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Temperature and Diffusion

Temperature significantly influences the rate of diffusion.

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Quenching

Rapid cooling that prevents diffusion, resulting in non-equilibrium structures.

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Diffusion Coefficient (D)

Measure of how easily atoms move in a material, related to temperature.

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Arrhenius Equation

Equation that shows how diffusion coefficients depend on temperature and activation energy.

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Activation Energy (Q)

Energy needed for an atom to move in a material.

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Diffusion in Interstitials

Atoms moving more easily into spaces between atoms.

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Diffusion in Ionic Materials

Slower diffusion compared to metals due to electrostatic repulsion between ions.

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Diffusion in Grain Boundaries

Diffusion faster along grain boundaries than in bulk material, due to less dense packing.

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Diffusion in Polymers

Small molecules move between polymer chains, affected by areas of amorphous structure.

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Carburizing

Process to increase carbon in steel's surface, making it harder.

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Diffusion in Silicon

Adding impurities to silicon for chip production

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Predeposition

First step in silicon doping, diffusing impurities into silicon, usually with controlled gas pressure.

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Drive-in diffusion

Process of moving impurities deeper into silicon material without increasing surface concentration.

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Steel Carburizing Time

Calculating time needed to reach specific carbon content at a given depth in steel parts during carburizing process at a given temperature.

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Diffusion Coefficient (D)

Material property describing how easily atoms move at a given temperature (e.g., for carburization).

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Carburizing Temperature

Process of increasing carbon content in steel at about 927 ℃, using a gas mixture, typically methane.

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Diffusion in Steel

Movement of atoms in steel with a concentration gradient; crucial for hardening processes like carburizing, with temperature as a key factor.

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Gallium Diffusion Depth

The distance gallium diffuses into a silicon wafer at a specific temperature (1100 ℃) and time (3 hours), given its initial concentration on the surface.

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Ceramic Conductor (Diffusion)

Using ion or vacancy diffusion to add conductivity to ceramic materials (e.g. ZrO2 or LiCoO2).

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Aluminium Oxidation

Aluminium oxidizes more readily than iron, forming a protective Al2O3 layer that prevents further oxidation.

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Diffusion Bonding

Joining two surfaces at high temperature and pressure by atomic diffusion across the interface.

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Sintering

High-temperature treatment reducing a material's porosity (especially used in ceramics and powder metallurgy).

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Grain Growth

Larger grains absorb smaller ones, increasing total grain size, to minimize total surface area.

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Solidification and Diffusion

Solid-state and liquid-state diffusion of dopant atoms in a material during solidification can have different effects.

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Diffusion in Turbine Blades

Ceramic coatings (like YSZ) on turbine blades (made of Ni alloys) prevent high-temperature oxidation.

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Study Notes

Tema 5. Difusión

  • La difusión es un fenómeno de transporte de átomos u otras especies.
  • Depende principalmente del gradiente de concentración y la temperatura.
  • Es un mecanismo crucial en muchas aplicaciones, ya que puede modificar profundamente las propiedades de los materiales.

Mecanismos de difusión

  • Gases y líquidos: movimiento aleatorio (movimiento browniano).
  • Sólidos:
    • Autodifusión: átomos del mismo tipo se mueven.
    • Difusión por vacantes: átomos se mueven a través de espacios vacíos (vacantes) en la red cristalina.
    • Difusión intersticial: átomos pequeños se mueven entre los átomos de la red cristalina.
  • Difusión por vacantes en sólidos:
    • Los átomos se desplazan ocupando posiciones vacantes.
    • Este tipo de difusión depende del número de vacantes y la energía de activación del movimiento de la vacante.
  • Difusión intersticial en sólidos:
    • Los átomos se mueven de una posición intersticial a otra.
    • Suele ser más rápida que la difusión por vacantes, ya que los átomos pequeños tienen más posiciones intersticiales que vacantes.

Cinética de los Procesos Sólidos

  • Requisito para la difusión: el sistema requiere suficiente energía para superar una barrera de activación.
  • Ecuación de Arrhenius: define la velocidad del proceso de difusión. Incluye el coeficiente de difusión (D), la energía de activación (Q), la temperatura (T) y una constante (Co).

Flujo de Difusión

  • El flujo de difusión (J) quantifica la cantidad de masa que se difunde a través de un área (A) en un tiempo (t).
  • La ecuación es J = M/At.
  • Se define como masa que se difunde por unidad de área y por unidad de tiempo, perpendicularmente al área en cuestión.

Difusión en Estado Estacionario

  • El flujo no cambia con el tiempo.
  • La concentración de la sustancia que se difunde permanece constante a lo largo del tiempo.
  • El flujo es proporcional al gradiente (fuerza impulsora) de la concentración.
  • La primera ley de Fick describe la relación y la ecuación es J = -D(dC/dx).

Difusión en Estado No Estacionario

  • La velocidad de difusión depende del tiempo.
  • La concentración de la sustancia que se difunde cambia con el tiempo y la posición.
  • La segunda ley de Fick explica este tipo de difusión.
  • La solución a la segunda ley depende de las condiciones dadas.

Factores que afectan la difusión

  • Temperatura: la difusión es más rápida a temperaturas más altas.
  • Tipo de soluto: la difusión difiere según el soluto.
  • Estructura cristalina: la difusión se ve influenciada por la estructura cristalina del material.
  • Tiempo.

Aplicaciones de los Procesos de Difusión

  • Endurecimiento superficial de acero por carburización: aumenta la dureza superficial.
  • Difusión de impurezas en obleas de silicio: esencial en la fabricación de circuitos integrados.
  • Materiales cerámicos conductores: difusion de iones para crear propiedades conductoras.
  • Oxidación de aluminio: la capa de Al2O3 evita el avance de la oxidación.
  • Barreras térmicas para hojas de turbinas: se utiliza un material cerámico para evitar su oxidación.
  • Fusión y colado: factores a considerar durante la difusión de dopantes en forma sólida/líquida.
  • Sinterizado: tratamiento a alta temperatura reduce poros y la fuerza conductora.
  • Enlazado por difusión: unir metales reactivos/materiales disimilares.
  • Crecimiento de granos: los granos mayores crecen por la dismunición de superficie.

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Tema 5. Difusión PDF

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Explora el fenómeno de la difusión en diferentes estados de la materia. Descubre los mecanismos que la rigen, como la autodifusión y la difusión intersticial. Aprende cómo la temperatura y el gradiente de concentración afectan este proceso crucial en la ciencia de materiales.

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