Difusión

Difusión, en física, flujo de energía o materia desde una zona de mayor concentración a otra de menor concentración, tendente a producir una distribución homogénea. Si se calienta o se carga eléctricamente el extremo de una varilla, el calor o la electricidad se difundirán desde la parte caliente o cargada hacia la parte fría o no cargada. Si la varilla es de metal, esta difusión será rápida en el caso del calor y casi instantánea en el caso de la electricidad; si la varilla es de amianto, la difusión del calor será lenta y la de la electricidad extremadamente lenta. La difusión de materia suele producirse aún más despacio. Si se coloca un terrón de azúcar en el fondo de un vaso de agua, el azúcar se disolverá y se difundirá lentamente a través del agua, pero si no se remueve el líquido pueden pasar semanas antes de que la solución se aproxime a la homogeneidad. También un sólido puede difundirse en otro. Por ejemplo, en un objeto de cobre chapado en oro, éste último se difunde lentamente a través de la superficie del cobre; no obstante, la difusión de una cantidad apreciable de oro a distancias no microscópicas suele exigir miles de años.

Todos estos tipos de difusión siguen las mismas leyes. En todos los casos, la velocidad de difusión es proporcional al área de la sección transversal y al gradiente de concentración, temperatura o carga (cuando el gradiente es pequeño). Así, por ejemplo, el calor avanza cuatro veces más rápido por una varilla con un diámetro de 2 cm que por una con 1 cm de diámetro —puesto que la sección transversal de la primera es cuatro veces mayor—, y el doble de rápido cuando el gradiente de temperatura es de 10 °C/cm que cuando sólo es de 5 °C/cm. La velocidad de difusión también es proporcional a una propiedad específica de la sustancia, que en el caso del calor o la electricidad se denomina conductividad; en el caso de la materia, esta propiedad se llama difusividad o coeficiente de difusión (véase Conductor eléctrico; Calor; Resistencia). La cantidad de materia que se difunde en un tiempo determinado, o la distancia que recorre, es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo; así, si el azúcar necesita una semana para difundirse en agua 1 cm desde su punto de partida, necesitará cuatro semanas para difundirse a lo largo de 2 cm.

A diferencia de la agitación, que es un proceso en el que se mezclan grandes masas de material, la difusión es un proceso molecular, que depende exclusivamente de los movimientos aleatorios de las moléculas individuales. La velocidad de difusión es, por tanto, directamente proporcional a la velocidad media de las moléculas. En el caso de los gases, esta velocidad media es mayor en moléculas más pequeñas, al ser inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la masa molecular; por otra parte, la velocidad aumenta intensamente con una subida de temperatura. El torio metálico, por ejemplo, se difunde rápidamente a través del volframio metálico a temperaturas próximas a los 2.000 °C el volframio tratado con torio de esta forma se emplea en algunos tubos de vacío.

Si una molécula de gas tiene una masa cuatro veces mayor que otra, se moverá con una rapidez dos veces menor, y su velocidad de difusión será de la mitad. Esta diferencia puede aprovecharse para separar sustancias de masas moleculares diferentes, y en particular para separar isótopos distintos de una misma sustancia. Si un gas que contiene dos isótopos se fuerza a pasar a través de una fina barrera porosa, los isótopos más ligeros —cuya velocidad media es mayor— atravesarán la barrera más rápidamente que los más pesados. Para una separación a gran escala se difunde el gas a través de una serie de barreras. Esta técnica, conocida como proceso de difusión gaseosa, se emplea mucho para separar el isótopo de uranio fisionable 235 del isótopo no fisionable uranio 238 (véase Energía nuclear). En otra técnica de separación de isótopos llamada proceso de difusión térmica, la separación depende de los efectos térmicos que muestran algunos gases; cuando se confinan estos gases en una cámara sometida a un gradiente de temperatura, los isótopos más pesados tienden a concentrarse en la zona fría.

Los procesos de difusión tienen una gran importancia biológica. Por ejemplo, la digestión es esencialmente un proceso de transformación química de los alimentos para que puedan pasar al torrente sanguíneo por difusión a través de la pared intestinal. El shock, un síndrome que se produce con frecuencia después de una operación o una lesión, es un estado en el que los fluidos sanguíneos se han difundido excesivamente hacia los tejidos corporales a través de las paredes de los vasos sanguíneos. El tratamiento del shock consiste en la inyección de productos químicos —generalmente sangre, plasma o expansores de plasma— en el fluido sanguíneo restante para compensar la pérdida por difusión y alterar la presión en los vasos para impedir mayores pérdidas (véase Transfusión de sangre; Aparato circulatorio).

Véase también Coloide; Ósmosis.