Transformationskinetik

Die Stabilität des strukturellen Aufbaus eines Werkstoffes kann immer nur relativ, d.h. mit Blick auf die herrschenden Umgebungsbedingungen gesehen werden. Ändern sich diese Bedingungen, wenn z.B. eine höhere Temperatur auftritt, so ist möglicherweise ein anderer struktureller Zustand des Materials stabiler.

Grund hierfür ist das ständige Bestreben der Natur die Gesamtenergie aller Atome eines Materials unter den jeweils vorliegenden Randbedingungen zu minimieren. Diese Gesamtenergie beinhaltet z.B. die Bindungsenergie der Atome untereinander, ihre Bewegungsenergie in Form von Schwingungen oder Translationsbewegung, aber auch Energiebeiträge, die mit der Unordnung der Atomanordnung verbunden sind.

Ein einfaches Beispiel für eine Umwandlung (Transformation) infolge z.B. einer Temperaturveränderung stellt das Schmelzen eines Metalles dar. Da sie direkt an die Temperatur gekoppelt ist, spielt die energiemäßig günstigere Unordnung bei tiefer Temperatur nur eine sehr geringe Rolle. Damit kann die Bindungsenergie die Atome des Materials gegen die Bewegungsenergie (Schwingungsenergie) in einem regelmäßigen Kristallgitter zusammenhalten. Bei höherer Temperatur nimmt die Schwingungsenergie zu und der Energiebeitrag infolge von Unordnung wird immer günstiger, so daß es bei einer bestimmten Temperatur (dem Schmelzpunkt) zur Transformation in den ungeordneten, weniger fest gebundenen, flüssigen Zustand kommt.

Physikalisch rechnerisch behandelt werden diese Zusammenhänge in der Thermodynamik. Dort heißen die entsprechenden Größen z.B. Enthalpie H, Entropie S und Freie Enthalpie G.

Mit der Umwandlung von einem strukturellen Zustand in den anderen, z.B. kristalliner Festkörper zu Schmelze, ist ein zusätzlicher Wärmebetrag verbunden, der keine Temperaturerhöhung sondern stattdessen die Umwandlung (hier das Schmelzen) bewirkt. Diese Schmelzwärme - oder falls der Vorgang umgekehrt läuft, d.h. abgekühlt wird, die Erstarrungs- oder Kristallisationswärme - kann mit einem Gerät zur Wärmemengenbestimmung, einem Kalorimeter, gemessen werden.