La cristallizzazione descrive il processo di conversione di una o più sostanze dallo stato solido amorfo, liquido o gassoso allo stato cristallino. La cristallizzazione può essere utilizzata come processo di separazione termica per la purificazione o la concentrazione di sostanze dalla fusione, soluzione o fase gassosa o per migliorare le proprietà meccaniche di acciai o leghe. Un'ulteriore applicazione della cristallizzazione è l'accumulo di calore latente.
La condizione necessaria per la formazione dei cristalli è la sovrasaturazione di una fase, in modo che i cristalli possano formarsi o che i cristalli esistenti possano crescere. Questo avviene per raffreddamento della fase o per evaporazione. La cristallizzazione nel suo complesso si suddivide in cristallizzazione a freddo, cristallizzazione evaporativa, cristallizzazione a spostamento e cristallizzazione a reazione.
Prerequisiti per la cristallizzazione sono la nucleazione e la crescita dei cristalli. La nucleazione avviene per fluttuazione termica nell'intervallo della temperatura di fusione della sostanza data. Tuttavia, al di sopra della temperatura di fusione i nuclei sono instabili perché l'entalpia libera di Gibbs dei nuclei è maggiore di quella della fusione. Per questo motivo, i nuclei si dissolvono più velocemente di quanto si formano o crescono. Al di sotto della temperatura di fusione, i nuclei si stabilizzano e si formano cristalli perché l'entalpia di Gibbs è negativa al di sotto della temperatura di fusione. Così lo stato solido diventa energeticamente più favorevole. La disposizione degli atomi segue fondamentalmente il principio dell'imballaggio più denso. La struttura del reticolo è determinata dal numero di atomi vicini o dal numero di coordinazione. Nella crescita dei cristalli, il guadagno di energia degli atomi dipende sia dal loro volume che dalla loro posizione nel reticolo. Il guadagno di energia è proporzionale al numero di posti vicini occupati. Pertanto un posizionamento nel piano è il più energico. Il risultato di questa disposizione è un reticolo di cristallo.
La cristallizzazione di raffreddamento si ottiene raffreddando la fase. La cristallizzazione per evaporazione avviene per evaporazione del solvente. Nella cristallizzazione sotto vuoto, il principio dell'evaporazione flash viene utilizzato per ottenere la sovrasaturazione. Inoltre, un agente di spostamento può essere utilizzato per ridurre la solubilità della sostanza disciolta in modo che la fase diventi supersatura. Durante la cristallizzazione a reazione, le sostanze reagiscono per formare un prodotto che cristallizza nel tempo a causa della sovrasaturazione.
Si dovrebbe aggiungere la distinzione tra i termini "cristallizzazione di fusione" e "cristallizzazione da soluzione". Se solo la sostanza presente in bassa concentrazione cristallizza, allora si chiama cristallizzazione da soluzione. Tuttavia, se tutti i componenti presenti passano dalla fase liquida alla fase solida, si parla di cristallizzazione della fusione.
Con l'accumulo di calore latente si utilizza l'entalpia dei cambiamenti di stato termodinamico del mezzo di accumulo. In questo caso, la cristallizzazione e la fusione sono il principio più comunemente usato. Per caricare l'accumulo di calore latente, il mezzo di accumulo viene fuso. Il mezzo assorbe energia sotto forma di calore nel processo. Durante lo scarico, il mezzo di stoccaggio si solidifica e rilascia il calore latente. Al mezzo di immagazzinamento vengono aggiunti agenti nucleanti che permettono al materiale a cambiamento di fase di cristallizzare con poco supercooling. La cristallizzazione avviene appena sotto la temperatura di fusione.
Il materiale di transizione di fase con un'alta entalpia di fusione, entalpia in soluzione e entalpia di evaporazione viene utilizzato come mezzo di trasferimento del calore in un accumulatore di calore latente. Inoltre, questi materiali devono avere un'elevata capacità termica specifica, anche se il calore sensibile viene utilizzato per l'immagazzinamento. Nelle reti di refrigerazione si tratta di solito di acqua trattata che viene utilizzata in un serbatoio di stoccaggio del ghiaccio. Una combinazione di acqua e cera di paraffina è spesso utilizzata come mezzo di trasferimento del calore nella fornitura di calore. L'acqua viene utilizzata per il trasporto di calore e per l'accumulo di calore sensibile. Nel caso di materiale a cambiamento di fase, che è presente come emulsione, questo viene anche chiamato fango a cambiamento di fase.
crystallization