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Sobre o fenômeno da nucleação
(2008-04-10) Pasqua, Norberto Helil
Desde a apresentação do primeiro modelo da transição de fase de primeira ordem no início do século XX, acumulou-se muito conhecimento a respeito da cinética deste fenômeno. A Teoria Clássica da Nucleação (TCN) calcula o tamanho do núcleo crítico maximizando a diferença na energia livre de Gibbs entre as fases atual e nova, separadas por uma superfície de tensão bem definida. Técnicas experimentais modernas indicam que a TCN calcula a taxa de nucleação com acurácia razoável somente em estreita faixa de temperatura, indicando deficiências no modelo. Correções na teoria melhorou sua dependência com a temperatura, mas os resultados encontrados são superiores aos medidos experimentalmente em cerca de quatro ordens de grandeza. Diferentes abordagens têm surgido, como a Teoria Adiabática da Nucleação e a Teoria Entrópica da Nucleação (TEW). Ainda que aquela traga em seu escopo teórico parte do modelo clássico, como a tensão superficial, elege a maximização da entropia como a força motriz da transição de fase. O mesmo fez a TEN, porém sem especificar uma superfície de tensão. A primeira aplicação desta teoria foi na condensação do vapor de água. Mediante uma teoria da flutuação, no seu aspecto mais simplificado, foi determinado o tamanho do núcleo critico. Os resultados obtidos são menores do que os experimentais em cerca de três ordens de grandeza, devido a excessiva simplicidade do modelo empregado. Entretanto, verifica-se que a dependência do tamanho do núcleo com a supersaturação assemelha-se aos dados experimentais. Os resultados indicam que a abordagem entrópica é promissora.
Teoria entrópica da nucleação e função entropia aplicadas à condensação do vapor d\'água
(2007-09-28) Pasqua, Norberto Helil
O fenômeno da nucleação é um processo intrinsecamente irreversível. A Teoria Entrópica da Nucleação (TEN) aborda-o analisando um processo reversível equivalente no qual há liberação de calor latente (variação da entalpia), concomitante a um rearranjo estrutural descrito pela variação da entropia antes e depois de certa quantidade de material ter nucleado. Para visualizar a dinâmica e facilitar a análise foi escolhido um processo isobárico. O diagrama de Mollier modificado para evidenciar a região metaestável ajudou a desenvolver uma expressão para o cálculo do tamanho do núcleo crítico, mediante a teoria da flutuação de Landau. Para analisar o sistema na região metaestável, obteve-se a função entropia, S(H,P0), em que aspectos físicos e geométricos (como o princípio de estabilidade termodinâmica) foram determinantes. Cálculos do núcleo crítico em relação à temperatura mostraram concordância qualitativa com o trabalho de Dillmann-Meier. Porém, entende-se que a função do núcleo crítico está incompleta. Para lidar com aglomerados e núcleos em uma abordagem termodinâmica, um ensemble a pressão constante é o mais apropriado, cuja variável conjugada é o volume. Com base em uma teoria das flutuações isotérmicas em um fluido ideal (Koper-Reiss), desenvolveu-se a teoria das flutuações não-isotérmicas (Mokross), aplicável a um fluido não-ideal metaestável mantido a pressão e temperatura constantes. Os parâmetros termodinâmicos do elemento de volume que flutua mudam e diferem daqueles do banho, e evolvem acordando com a equação de estado S=S(H,P).