Do ponto de vista termodinâmico, a difusão elimina os gradientes de energia livre (
). Já do ponto de vista atomístico, a difusão é o efeito resultante de movimentos atômicos aleatórios. A Primeira e a Segunda Lei de Fick são formulações matemáticas utilizadas em processos difusionais. Os mecanismos segundo os quais os átomos se movem através de um reticulado dependem da estrutura cristalina, dos tamanhos atômicos e da extensão dos defeitos nos cristais.
A difusão é o mecanismo segundo o qual a matéria é transportada através da matéria. Apesar de o movimento de cada átomo ou partícula individual ser sempre obstruído pelos átomos ou partículas vizinhas, o resultado final de um grande número destes eventos pode ser um deslocamento global específico de matéria. Do ponto de vista termodinâmico, os processos de difusão são irreversíveis, pois aumentam a entropia. Na maioria dos sólidos, os átomos estão mais fortemente ligados às suas posições de equilíbrio. Contudo, devido às vibrações térmicas, alguns desses átomos se movem aleatoriamente ao longo da rede e um grande número de tais movimentos pode resultar num transporte significativo de material. Denomina-se este movimento de difusão no estado sólido. Mesmo numa substância pura, um átomo pode mover-se de uma posição para outra no material e este movimento é conhecido como autodifusão. Numa mistura de mais de um componente, como por exemplo nas ligas metálicas binárias, ocorre a interdifusão ou difusão de impurezas, isto é, a difusão de um componente através da rede do outro.
Como exemplo de como a difusão promove o aumento da entropia (
), considere-se a interdifusão dos componentes A e B, de um sistema hipotético A—B, em que ocorre completa solubilidade na fase sólida. Este processo está ilustrado na Figura 14.a. Os blocos de A e de B são colocados em contato e aquecidos até uma temperatura em que a difusão é facilitada. O bloco A poderia ser rico em cobre (Cu) e o bloco B rico em níquel (Ni), por exemplo. Provavelmente B se difundirá em A, e vice-versa, até que seja atingido o equilíbrio. O processo é irreversível e a liga não voltará à configuração original.
Figura 14.a – Processo de difusão para formar uma solução sólida aleatória, a partir de dois componentes puros A e B.