התגרענות
הִתְגַּרְעֲנוּת (בלועזית: נוּקְלֵאַציה) היא תופעה פיזיקלית המאפיינת את תחילתו של תהליך מעבר פאזה או של תהליך הפרדת פאזות. התופעה מתאפיינת בכך ששינוי הפאזה מתחיל בנקודות מסוימות במרחב, והחומר סביב אותן נקודות עובר למצב הצבירה החדש. לנקודות אלו, שבהן מתחיל מעבר הפאזה, קוראים אתרי התגרענות.
הסבר פיזיקלי
מעבר פאזה יכול להתרחש רק כאשר התנאים התרמודינמיים (לחץ וטמפרטורה) מתאימים. אולם, משיקולים אנרגטיים, התהליך יתרחש בסבירות גבוהה רק בסמיכות לחומר שנמצא כבר בפאזה החדשה. אם לא קיים עדיין חומר במצב הצבירה החדש, צפוי להתרחש קירור יתר, שבו נוזל מקורר מתחת לנקודת הקיפאון שלו, אך איננו קופא. באופן דומה, בתנאים מסוימים ניתן ליצור תמיסה במצב של רוויית יתר, כלומר כמות החומר המומס בה גדולה מהכמות המרבית שמתאימה לתנאים הפיזיקליים. גם למצב שבו לחץ האדים באוויר גדול מלחץ האדים המתאים לטמפרטורה הנמדדת, קוראים רוויית יתר.
מבחינה אנרגטית, לנוזל שקורר מתחת לנקודת הקיפאון שלו, יש עדיפות לעבור למצב צבירה מוצק. הכוח שמונע מתהליך זה להתרחש בתנאים מסוימים, הוא כוח הקוהזיה, כלומר המשיכה בין מולקולות הנוזל. אם קיים אתר התגרענות בנוזל, כלומר מוצק נקודתי, אז נוכחותו של המוצק תקטין את עצמת כוח הקוהזיה בסביבתו. מעל לגודל מסוים של אתר ההתגרענות יהיה יתרון אנרגטי למעבר הפאזה, אשר יתרחש סביב אתר זה. שיקולים פיזיקליים דומים מעורבים בהתגרענות הקשורה למעברי פאזה אחרים.
התגרענות הטרוגנית היא תהליך התגרענות שבו אתרי ההתגרענות עשויים מחומר שונה מאשר החומר שעובר מעבר פאזה, כמו חלקיקי אבק זעירים במים שסביבם מתחיל להיווצר קרח. לעומת זאת, אם אתרי ההתגרענות אינם מורכבים מחומר שונה, תתרחש התגרענות הומוגנית. כך למשל, גבישי קרח מתחילים להיווצר במים נקיים לחלוטין, בתהליך של התגרענות הומוגנית, רק כאשר המים מקוררים עד לטמפרטורה של 38°C-. המים יכולים להישאר במצב נוזלי בצורת טיפות זעירות עד לטמפרטורה של כ-41°C-.[1]
מבחינים בין שני סוגי נוקלאציה:
1. נוקלאציה הומוגנית (אחידה)- הגרעין מתפתח בנפח באופן אחיד במטריצת האם.
2. נוקלאציה הטרוגנית (רבגונית)-מתרחשת על פני משטח מועדף באזורי אי רציפות של מטריצת אם.לדוגמה:גבולות גרעין.
דוגמאות
- מים נקיים לחלוטין קופאים בטמפרטורה של 38°C-. קיומם של חלקיקים זעירים במים תעלה את טמפרטורת הקפיאה, ואם כמות החלקיקים מספיקה אז הקפיאה תתרחש ב-0°C.
- זריעת עננים היא שיטה שבה מפזרים חומר, בדרך-כלל יודיד הכסף, בתוך עננים, וכך יוצרים אתרי התגרענות שבהם מים שנמצאים במצב של קירור יתר יקפאו, והסבירות לירידת גשם מהענן תעלה.
- בועות של פחמן דו-חמצני במשקה מוגז נוצרות בכמות גדולה סביב אתרי התגרענות מוצקים. זאת דוגמה לתהליך הפרדת פאזות בתמיסה. ניתן להדגים את האצת התהליך בעזרת ניסוי ביתי המכונה התפרצות מנטוס.
- היווצרות כפור בתהליך דפוזיציה תתרחש על פני עצמים מוצקים.
- היווצרות בועות של אדי מים בתהליך רתיחה של נוזל אשר נמצא במצב של חימום יתר תחל סביב אתרי התגרענות.
- תהליך הפילמור, כלומר יצירת פולימר ממונומרים, מתחיל סביב אתרי התגרענות. בתהליך זה אין שינוי של מצב צבירה, אך המנגנון הפיזיקלי דומה.