Qual o sentido físico da nucleação homogênea?
Passo 1
O enunciado pergunta qual é o sentido físico da nucleação homogênea. Isso pertence ao conteúdo de termodinâmica e cinética de transição de fases, mais especificamente à teoria clássica de nucleação, em que formam-se pequenas “gotículas” da nova fase dentro do volume do material sem ajuda de defeitos ou superfícies.
Passo 2
Na nucleação somos interessados em como surge um núcleo de nova fase (por exemplo, gota de líquido numa solução supersaturada ou cristal num líquido super-resfriado). A energia livre de formação de um núcleo esférico de raio
é dada pelo balanço entre o custo de criar interface e o ganho de volume:
onde
é a tensão superficial e
é a diferença de energia livre por volume entre fases.
Passo 3
O gráfico de
apresenta um máximo em
, que é o raio crítico. Para
, a energia livre cresce se o núcleo crescer (núcleos menores são instáveis e tendem a desaparecer), e para
ele tende a crescer espontaneamente, levando à transformação de fase. Calcula-se
Passo 4
A nucleação é dita homogênea quando esses núcleos críticos aparecem uniformemente em todo o volume do material, sem concentrarem-se em impurezas, paredes ou outras superfícies de heterogeneidades. Assim, a única barreira é energética (superfície versus volume), não existindo “atalhos” para baixar
.
Passo 5
O sentido físico da nucleação homogênea é mostrar como, num sistema livre de pontos de ancoragem externos, a formação de um novo domínio de fase depende exclusivamente do equilíbrio entre a energia de superfície, que penaliza núcleos pequenos, e o ganho de energia volumétrica, que favorece a fase mais estável. Somente flutuações espontâneas que gerem núcleos iguais ou maiores que o raio crítico
poderão crescer e completar a transição de fase.
Resposta
Fisicamente, a nucleação homogênea descreve o surgimento espontâneo de pequenos núcleos da nova fase distribuídos uniformemente no interior do material, controlado pelo balanço entre o custo de criar interface (tensão superficial) e o ganho de energia volumétrica, sem auxílio de superfícies ou impurezas.