U1 Nucleacion Homogenea

1.2 Nucleacion

 En el contexto de solidificación, el termino nucleación se refiere a

la formación de la primera nano partícula (o nano cristal)
a partir del liquido.
 Ejemplo: cuando el agua se empieza a congelar, los nano-cristales,

conocidos como núcleo, se forman primero.
 En un sentido mas amplio, el termino nucleación se refiere a la

etapa inicial de formación de una fase a partir deotra fase.
 Cuando el vapor se condensa, las nano gotas de liquido que aparecen

cuando la condensación inicia se les denomina núcleos.

 Es de esperarse que un material solidifique cuando el liquido se

enfríe justo por debajo de su temperatura de fusión o de
congelamiento, ya que la energía asociada con la estructura cristalina
del solido es en ese momento menor que la energía del liquido.Esta
diferencia de energía entre el liquido y el solido es el cambio de
energía libre por unidad de volumen ∆Gv y es la fuerza motriz para
la solidificación.
 Conforme aumenta el tamaño del solido ∆Gv se hace mayor. Sin

embargo, cuando el solido se forma, se crea una interfase entre este
y el resto del liquido. (fig. 1a)

Fig. 1 (a) Una interfase es creada cuando el solido se forma a partir delliquido, (b)

 A esta interfase se le asocia una energía libre de superficie σsl ; cuanto

mayor sea el solido, mayor será el incremento en la energía de superficie.
Así que, el cambio total en energía ∆G, que se muestra en la fig. 1b, es:

4
Δ𝐺 = 𝜋 𝑟 3 Δ𝐺𝑣 + 4𝜋𝑟 2 𝜎𝑠𝑙
3
 Donde

Ec. 1

, es el volumen de una esfera solida de radio r.
4
𝑉 = 𝜋 𝑟3
3

𝐴 = 4𝜋𝑟 2 , es el área de superficie de laesfera solida.
σsl , es la energía libre de superficie de la interfase solido – liquido.
∆Gv , es el cambio de energía libre por unidad de volumen, el cual es negativo ya que el
cambio de fases es considerado posible.

 Embrión: es una partícula pequeña del solido que se forma a partir

del liquido al irse aglomerando los átomos. El embrión es inestable y
puede, ya sea crecer y volverse un núcleoestable o volverse a fundir.
 Cuando el solido es muy pequeño, con un radio menor que el radio

critico para nucleación (r*) [fig. 1b], un crecimiento adicional causa
que la energia libre total se incremente.
 Radio critico (r*), es el tamaño mínimo de un cristal que se debe

de forma por la aglomeración de átomos en el liquido antes de que la
partícula sea estable y comience a crecer.

 A latemperatura de fusión y congelamiento termodinámicas, la

probabilidad de formar un núcleo estable y sustentable es
extremadamente pequeña. Por lo tanto, la solidificación no comienza
a la TM o congelamiento termodinámico.

 Si la temperatura continua disminuyendo por debajo de la

temperatura de congelamiento en equilibrio, la fase liquida que
debería
haberse
transformado
a
solido
se
vuelvetermodinámicamente inestable. Ya que el liquido esta por debajo de
la temperatura de congelamiento en equilibrio, se considera que el
liquido esta sobre-enfriado.

 ∆T subenfriamiento es la temperatura de congelamiento (o

solidificación) menos la temperatura actual del liquido.

Nucleación Homogénea
 Cuando un solido se forma dentro de su propia fundición sin la ayuda

de materiales extras, se diceque nuclea homogéneamente.

 Cuando el liquido se enfría a temperatura por debajo de la

temperatura de congelamiento, dos factores se combinan para
favorecer la nucleación:





Primero, ya que los átomos están perdiendo su energía térmica, la probabilidad
de formación de aglomerados para formar embriones crece.
Segundo, cuanto mayor sea la energía libre de volumen entre el liquido y elsolido, se reduce el tamaño critico del núcleo (r*).

La nucleación homogénea ocurre cuando el sub-enfriamiento
se vuelve lo suficientemente grande para causar la formación
de núcleo estables.

 El tamaño del radio critico r* esta dado por:

2𝜎
𝑇
𝑠𝑙
𝑚
∗
𝑟 =
∆𝐻𝑓 ∆𝑇
 Donde:

∆Hf , es el calor latente de fusión,
Tm , es la temperatura de solidificación en equilibrio en Kelvin.
∆T = (Tm – T) , es el...