14.15. Soluções da Segunda Lei Fick (I)

São apresentadas neste e nos próximos três Tópicos, a descrição de um problema físico de difusão, as condições de contorno que o modelamento do problema específico exige e a solução (1) da equação diferencial parcial. Esta equação é a expressão matemática da Segunda Lei de Fick (veja equação 14.7, Tópico 14.4).
Uma técnica experimental utilizada para a medição do coeficiente de difusão D envolve a aplicação de um filme fino (2) de um material radioativo sobre um metal puro (hospedeiro), e é denominada método do traçador radioativo. Considere-se que duas hastes semi-infinitas, de um mesmo metal puro, ricas no metal A, sejam unidas pelas extremidades e que, entre elas, foi depositado um filme fino com uma quantidade igual a do metal B que irá se difundir para o interior das duas barras. O soluto pode ser um isótopo (3) do metal das barras. Este sistema está representado na Figura 14.q, num gráfico de concentração C da espécie em difusão (soluto) em função da distância x. A origem do sistema é o filme.
Para resolver a equação diferencial 14.7 (a Segunda Lei de Fick, ) são necessárias as condições de contorno que expressem, matematicamente, o problema proposto acima. Estas condições são:

a- Para , teremos quando .

b- Para , teremos quando .

c- Para , teremos quando .

d- Para , teremos quando .

Para estas condições a solução da equação (14.7) é:

(14.29)

O parâmetro importante é que indica, aproximadamente, a distância da difusão durante o tempo t. Um exemplo (4) para este caso é a difusão de um metal nobre radioativo (o isótopo radioativo do ouro , por exemplo, em barras de ouro (5)) conforme mostra a Figura 14.r, em que o par de difusão inicial é uma fonte plana de metal nobre radioativo. O tempo para este experimento varia de dezenas de horas até dezenas de dias e as temperaturas utilizadas ficam em torno de 80%-95% da temperatura de fusão do metal.

Figura 14.q – Variação da concentração de soluto C com a distância x, para um sistema composto por duas barras semi-infinitas, unidas entre si por um filme fino.

Figura 14.r – Distribuição de átomos do isótopo radioativo , após a difusão por ~144 horas a num experimento de eletromigração.