Evaluation of the stability of a flat surface of a crystal under a phase transformation in a single-component system
Authors: И.И. Босиков, , Р.В. Клюев, , А.И. Мазко, , О.Г. Бурдзиев, 
Published: December 2022

Актуальность работы. Теория фазовых переходов сформулирована для описания эволюции неравновесных систем вблизи от термодинамического равновесия. В течение последних трех десятилетий накоплен обширный экспериментальный материал по высокоскоростным фазовым переходам, из которого следует, что многие метастабильные системы способны претерпевать превращения вдали от термодинамического равновесия, когда нарушаются условия локального равновесия в системе. В статье рассматривается оценка устойчивости плоской поверхности кристалла при фазовом превращении в однокомпонентной системе. Цель исследований. Оценка устойчивости плоской поверхности кристалла при фазовом превращении в однокомпонентной системе, анализ высокоскоростных режимов движения фазовой границы и решение ряда задач формирования кристаллической структуры в системах Методика исследований. Аналитические, математические методы. Феноменологическое и микроскопическое описания однокомпонентной системы. Результаты исследований. Исследована морфологическая устойчивость плоской поверхности кристалла, растущего внутри исходной фазы при следующей схеме теплоотвода: скрытая теплота превращения отводится от границы раздела в обе фазы и за счет внешнего теплообмена – в термостат с заданной температурой. Устойчивость определяется температурой термостата, условиями теплообмена, поверхностным натяжением и кинетикой процессов на границе фаз (натяжение и кинетика считаются изотропными, и механизм роста - нормальным). Выявлена сложная картина чередования областей устойчивости и неустойчивости. Для превращения высокотемпературной фазы в низкотемпературную по мере увеличения переохлаждения имеем в общем случае следующее чередование: устойчивость, неустойчивость, устойчивость, неустойчивость, устойчивость. При обратном превращении: устойчивость, неустойчивость, устойчивость. В адиабатических условиях, когда внешний теплообмен отсутствует, часть областей устойчивости исчезает и имеем: неустойчивость, устойчивость, неустойчивость для прямого превращения и неустойчивость, устойчивость для обратного (в адиабатическом случае анализ справедлив при (То – Т∞ )>L/с2, То и Т∞– температуры равновесия и исходной фазы вдали от растущего кристалла, L – теплота превращения, с2 – теплоемкость исходной фазы). При очень интенсивном внешнем теплообмене (изотермическое превращение) плоский фронт устойчив при любых температурах. Даны оценки критических температур перехода от устойчивости к неустойчивости. Эти оценки согласуются с данными экспериментов по кристаллизации циклогексанола.

Relevance. The theory of phase transitions was formulated to describe the evolution of nonequilibrium systems near thermodynamic equilibrium. Over the past three decades, extensive experimental material has been accumulated on high-speed phase transitions, from which it follows that many metastable systems are capable of undergoing transformations far from thermodynamic equilibrium when the conditions of local equilibrium in the system are violated. The article considers the assessment of the stability of a flat surface of a crystal during a phase transformation in a one-component system. The aim of the research is to assess the stability of a flat surface of a crystal during a phase transformation in a single-component system, to analyze high-speed modes of motion of the phase boundary, and to solve a number of problems of the formation of a crystal structure in systems Research methodology. Results. The morphological stability of a flat surface of a crystal growing inside the initial phase was studied under the following heat removal scheme: the latent heat of transformation is removed from the interface to both phases and, due to external heat transfer, to a thermostat with a given temperature. Stability is determined by thermostat temperature, heat transfer conditions, surface tension and kinetics of processes at the phase boundary (tension and kinetics are considered isotropic, and the growth mechanism is normal). A complex pattern of alternating regions of stability and instability is revealed. For the transformation of a high-temperature phase into a low-temperature one, as supercooling increases, we generally have the following alternation: stability, instability, stability, instability, stability. With the reverse transformation: stability, instability, stability. Under adiabatic conditions, when there is no external heat transfer, some of the stability regions disappear and we have: instability, stability, instability for the direct transformation and instability, stability for the reverse (in the adiabatic case, the analysis is valid for(То – Т∞ )>L/с2, То and Т∞ – equilibrium and initial phase temperatures away from the growing crystal, L – heat of transformation, с2 – is the heat capacity of the initial phase). With a very intense external heat transfer (isothermal transformation), a flat front is stable at any temperature. Estimates are given for the critical temperatures of the transition from stability to instability. These estimates are consistent with experimental data on the crystallization of cyclohexanol.