Vacancias Y Enfriamiento

Rangos de temperatura y Equilibrio estable versus equilibrio metaestable Caso:
Concentración real de vacancias en función de la velocidad de enfriamiento.

La cinética química es fuertemente dependiente de la temperatura: al aumentar la
temperatura, la movilidad atómica crece exponencialmente (Ver tema Ra(T)). Para los
sólidos, una forma esquemática de expresar lo anterior, en forma algosobre simplificada, es
hacer referencia a tres rangos de temperatura, considerando la temperatura de fusión en
escala absoluta (TF [K]) del respectivo material: caliente, 0,6 a 1,0 TF [K] ; tibio, 0,4 a 0,6
TF [K]; y frío, 0 a 0,4 TF [K]. Téngase presente que las definiciones de estos rangos aluden
a la velocidad de la difusión atómica (alta, media, y nula, respectivamente) en cada uno de
ellos,respecto de la velocidad necesaria para llegar al equilibrio estable. Esta separación en
tres rangos con límites muy definidos es una simplificación de un fenómeno que es
continuo. En efecto, la movilidad atómica crece en forma continua y exponencial con la
temperatura. De no alcanzarse el equilibrio estable (G mínimo), se estará en un equilibrio
metaestable.
La modalidad de trabajar contemperaturas absolutas, T[K], referidas a la
temperatura de fusión del respectivo material en escala absoluta, TF [K], permite, en
primera aproximación, establecer equivalencias en el comportamiento de distintos
materiales. Así, las concentraciones de vacancias de distintos metales puros consideradas a,
por ejemplo, 0,8 TF [K], son bastante similares. Ello porque la temperatura de fusión de unmaterial está relacionada con la respectiva intensidad del enlace y porque la concentración
de vacancias depende de la energía necesaria para formar una vacancia, rompiendo enlaces
y perturbado la red. A una escala T[K]/TF [K] , se le denomina escala homóloga de
temperaturas; en el caso anterior, la comparación se hizo para el valor 0,8 de la escala
homóloga.
Ejemplo de aplicación.
Para elanálisis que sigue, supondremos que se tiene un cristal de Cu a alta
temperatura, p.e. a 0,95 TF [K]. Como a esa temperatura la movilidad atómica es muy alta,
después de un breve tiempo el material estará al equilibrio estable. Consideraremos dos
velocidades de enfriamiento hasta la temperatura ambiente (300 [K]): una suficientemente
lenta y otra suficientemente rápida, para efectos de estadiscusión, ver Tabla 1.
La pregunta es: ¿cómo afecta el parámetro velocidad de enfriamiento a la evolución
de la concentración real de vacancias en el cristal con la temperatura? Específicamente nos
preocuparemos de la concentración de vacancias retenida por temple, al enfriar hasta la
temperatura ambiente. La temperatura ambiente es una temperatura baja para el Cu. En este
caso debe tenerse encuenta la cinética (velocidad) para que el sistema evolucione al
equilibrio. Nótese que en esta discusión la concentración real de vacancias, CV(T), podría
no ser siempre igual a la concentración de vacancias al equilibrio, C*V(T). A continuación
se explica la evolución de Cv real durante el enfriamiento, pasando sucesivamente por los
rangos frío, tibio y caliente, ver también la Tabla 1.Dentro del rango altas temperaturas, como la movilidad atómica es alta, el sistema
podrá evolucionar rápidamente, llegando al valor de equilibrio C*V impuesto por el criterio
de G mínimo. En efecto, si dentro de ese rango subimos o bajamos la temperatura, la
concentración real de vacancias CV aumentará o disminuirá según lo indique C*V. Nótese
que para aumentar o disminuir las vacancias esnecesario que los átomos de cristal se
reordenen en la red, en una transformación a número de átomos constante. De modo que el
MECANISMO (forma en que se produce físicamente una transformación) de la
transformación de aumento o disminución de vacancias es por difusión atómica. Por otra
parte, en el rango de bajas temperaturas, donde la movilidad atómica es despreciable, el
sistema no podrá...