15.7. Nucleação Heterogênea – Transformação Líquido-Sólido (I)

Na Natureza, a quase totalidade dos processos de nucleação ocorre heterogeneamente, isto é, eles nucleiam sobre um substrato. Denomina-se nucleação heterogênea a transformação que ocorre sobre sítios favoráveis (substratos), que são catalisadores do processo de nucleação. Os sítios favoráveis podem ser superfícies, contornos de grão, partículas de impurezas (partículas de 2ª fase), etc., e são chamados de agentes nucleadores.
Novamente, a nucleação de um sólido a partir de uma fase líquida é o melhor caso para se começar. A condição essencial para que haja a nucleação heterogênea é que a superfície que será a catalisadora do processo de nucleação deve ser “molhada” pela nova fase nucleada. Considere que as partículas sólidas que se formem nas paredes do molde sejam calotas esféricas. Se a parede do molde é “molhada” tanto pelo sólido quanto pelo líquido, temos a situação descrita na Figura 15.h.
O equilíbrio de forças onde as três superfícies se encontram é

(15.15)

em que , e são as tensões superficiais entre a parede do molde e o líquido, entre a parede do molde e o sólido, e entre o sólido e o líquido, respectivamente. A Figura 15.i mostra que a forma da partícula nucleada, sobre a parede do molde, como calota esférica, é invariante, ou seja, o crescimento da partícula não altera a sua forma.
Dois aspectos podem ser deduzidos da Figura 15.h:
(a) a área de interface molde-sólido, , substitui uma quantidade equivalente de área de interface molde-líquido, ;
(b) é menor que .
O aparecimento da superfície MS então reduz a energia associada com a área que ela ocupa. O decréscimo da energia pode ser atribuído à subtração da energia da superfície SL, resultando a energia total de superfície da nucleação heterogênea, que é usualmente muito menor que a energia de superfície para nucleação homogênea. Podemos, portanto, dizer que a barreira energética a ser vencida na nucleação heterogênea é muito menor do que a barreira energética para a nucleação homogênea

(15.16)

Figura 15.h – Nucleação heterogênea de um sólido, a partir de um líquido.

Figura 15.i – A forma da partícula nucleada sobre a parede do molde é invariante com o crescimento.