14.11. Equilíbrio de Lacunas nos Cristais

A explicação para o transporte de massa através dos cristais pelo mecanismo de movimento de lacunas é interessante porque as lacunas estão presentes, no equilíbrio, em todos os cristais. Nas transformações do estado sólido, as variações de pressão (P) e volume (V) são muito pequenas e por isso a energia para criar uma lacuna () e a entalpia (H)(1) praticamente se confundem, ou seja, .
Suponha um cristal contendo N posições atômicas preenchidas e n lacunas. O aumento de energia interna ou de entalpia do cristal pode ser considerado uma função linear do número de lacunas:

(14.19)

em que é a energia necessária para formar uma única lacuna.
A entropia da “mistura” de sítios cheios e vazios da rede cristalina é calculada exatamente do mesmo modo que a entropia de configuração de uma liga binária. A entropia configuracional é dada pela equação de Boltzmann (veja Capítulo 10, Tópico 10.9, Equação 10.16):

(14.20)

Onde S é a entropia, W é o número de configurações possíveis e k é a constante de Boltzmann.
O número de arranjos possíveis de n lacunas em N posições atômicas, W, será:

(14.21)

Substituindo-se a Eq. (14.21) na Eq. (14.20), obtemos:

(14.22)

Substituindo as equações (14.19) e (14.22) na equação da energia livre (veja Capítulo 10, Termodinâmica, Tópico 10.12), obteremos

(14.23)

Substituindo-se os logaritmos de fatorial da Equação (14.23) pela aproximação de Stirling (2) para o fatorial de um número, teremos:

(14.24)

O ponto de mínimo desta função (equação 14.24) é obtido quando

(14.25)

Aplicando-se a primeira derivada na equação 14.24 em função de n, obteremos o resultado:

(14.26)

Mas, como , a Equação (14.26) torna-se:

(14.27)

Como exemplo, considere-se que =20.000 cal/mol e T=1.000 K. Nestas condições, uma posição em cada 10.000 () estará vazia.