Desde a apresentação do primeiro modelo da transição de fase de primeira ordem no início do século XX, acumulou-se muito conhecimento a respeito da cinética deste fenômeno. A Teoria Clássica da Nucleação (TCN) calcula o tamanho do núcleo crítico maximizando a diferença na energia livre de Gibbs entre as fases atual e nova, separadas por uma superfície de tensão bem definida. Técnicas experimentais modernas indicam que a TCN calcula a taxa de nucleação com acurácia razoável somente em estreita faixa de temperatura, indicando deficiências no modelo. Correções na teoria melhorou sua dependência com a temperatura, mas os resultados encontrados são superiores aos medidos experimentalmente em cerca de quatro ordens de grandeza. Diferentes abordagens têm surgido, como a Teoria Adiabática da Nucleação e a Teoria Entrópica da Nucleação (TEW). Ainda que aquela traga em seu escopo teórico parte do modelo clássico, como a tensão superficial, elege a maximização da entropia como a força motriz da transição de fase. O mesmo fez a TEN, porém sem especificar uma superfície de tensão. A primeira aplicação desta teoria foi na condensação do vapor de água. Mediante uma teoria da flutuação, no seu aspecto mais simplificado, foi determinado o tamanho do núcleo critico. Os resultados obtidos são menores do que os experimentais em cerca de três ordens de grandeza, devido a excessiva simplicidade do modelo empregado. Entretanto, verifica-se que a dependência do tamanho do núcleo com a supersaturação assemelha-se aos dados experimentais. Os resultados indicam que a abordagem entrópica é promissora. / In Classical Nucleation Theory (CNT) the size of the critical nucleous is obtained by maximizing the difference in bulk Gibbs free energy between the new and the evolving phase separated by a surface having a well defined tension, in relation to the nucleous size. CNT, albeit the introduction of numerous correction terms, did not compare well with experimental data by many orders of magnitude. Other theories have been proposed as the Adiabatic and Entropy Theones, ANT and ENT, respectively. While ANT rests on some CNT assumptions as the existence of a well defined surface separating the new and the old phase, considers the entropy as the driving force of phase transition instead of Gibbs Free Energy. On the other hand, ENT only rests on the assunption of the entropy as the driving force without considering a surface tension. This theory is applied to the study of water vapor condensation, by calculating the size of the critical nucleous with the aid small amplitude fluctuation theory. The results compare well with experimental values, being off by about 3 orders of magnitude but its dependence with supersaturation agrees well with experiment. The results are satisfactory and may be improved by refining the theory.

Desde a apresentação do primeiro modelo da transição de fase de primeira ordem no início do século XX, acumulou-se muito conhecimento a respeito da cinética deste fenômeno. A Teoria Clássica da Nucleação (TCN) calcula o tamanho do núcleo crítico maximizando a diferença na energia livre de Gibbs entre as fases atual e nova, separadas por uma superfície de tensão bem definida. Técnicas experimentais modernas indicam que a TCN calcula a taxa de nucleação com acurácia razoável somente em estreita faixa de temperatura, indicando deficiências no modelo. Correções na teoria melhorou sua dependência com a temperatura, mas os resultados encontrados são superiores aos medidos experimentalmente em cerca de quatro ordens de grandeza. Diferentes abordagens têm surgido, como a Teoria Adiabática da Nucleação e a Teoria Entrópica da Nucleação (TEW). Ainda que aquela traga em seu escopo teórico parte do modelo clássico, como a tensão superficial, elege a maximização da entropia como a força motriz da transição de fase. O mesmo fez a TEN, porém sem especificar uma superfície de tensão. A primeira aplicação desta teoria foi na condensação do vapor de água. Mediante uma teoria da flutuação, no seu aspecto mais simplificado, foi determinado o tamanho do núcleo critico. Os resultados obtidos são menores do que os experimentais em cerca de três ordens de grandeza, devido a excessiva simplicidade do modelo empregado. Entretanto, verifica-se que a dependência do tamanho do núcleo com a supersaturação assemelha-se aos dados experimentais. Os resultados indicam que a abordagem entrópica é promissora. / In Classical Nucleation Theory (CNT) the size of the critical nucleous is obtained by maximizing the difference in bulk Gibbs free energy between the new and the evolving phase separated by a surface having a well defined tension, in relation to the nucleous size. CNT, albeit the introduction of numerous correction terms, did not compare well with experimental data by many orders of magnitude. Other theories have been proposed as the Adiabatic and Entropy Theones, ANT and ENT, respectively. While ANT rests on some CNT assumptions as the existence of a well defined surface separating the new and the old phase, considers the entropy as the driving force of phase transition instead of Gibbs Free Energy. On the other hand, ENT only rests on the assunption of the entropy as the driving force without considering a surface tension. This theory is applied to the study of water vapor condensation, by calculating the size of the critical nucleous with the aid small amplitude fluctuation theory. The results compare well with experimental values, being off by about 3 orders of magnitude but its dependence with supersaturation agrees well with experiment. The results are satisfactory and may be improved by refining the theory.

O estudo consistiu em uma análise teórica experimental, com o desenvolvimento de uma correlação, dos parâmetros que afetam a ebulição nucleada de refrigerantes halogenados em superfícies cilíndricas lisas. Uma ampla análise da literatura permitiu levantar os distintos tópicos envolvendo este tema destacando entre eles o presente estudo. A análise da literatura envolveu, ainda, um estudo detalhado dos fundamentos da ebulição e das correlações para a previsão do coeficiente de transferência de calor. Foi projetado e construído um aparato experimental no qual foram realizados ensaios envolvendo superfícies de aço inoxidável, cobre e latão, os refrigerantes R-11, R-123, R-12, R-22 e R-134a, fluxos específicos de calor entre 0,8 e 120 kW/m&sup2, pressões reduzidas de 0,008 a 0,26 e rugosidade aritmética média variando entre 0,02 e 3,3 &#956m. A análise destes resultados possibilitou a verificação de comportamentos físicos inéditos segundo a literatura consultada. Destaca-se a análise de efeitos da condução longitudinal e da resistência térmica de contato entre a superfície de transferência de calor e os termopares. Esta análise foi incorporada ao procedimento de determinação da temperatura superficial, e permitiu estabelecer a distribuição de temperaturas ao longo do perímetro da superfície. Finalmente, com base no banco de dados levantado, foi desenvolvida uma correlação para o coeficiente de transferência de calor em ebulição nucleada plenamente desenvolvida de refrigerantes halogenados. / The present research has been focused in a theoretical and experimental analysis of the parameters that affect the pool boiling of halocarbon refrigerants in smooth cylindrical surfaces with the development of a correlation. A wide survey of the literature allowed to list the distinct topics related to this subject and to highlight among them the theme of this study. The literature analysis still involved a detailed study of the pool boiling fundamentals and of the correlations for the pool boiling heat transfer coefficient. An experimental set up has been developed and constructed in which were raise data involving surfaces of stainless steel, copper and brass, the refrigerants R-11, R-123, R-12, R-22 and R-134a, specific heat flux range of 0.8 to 120 kW/m&sup2, reduced pressures from 0.008 to 0.26 and arithmetic mean roughness varying between 0.02 and 3.3 &#956m. The analysis of these results revealed, according to the consulted literature, unpublished physical behaviors. In this work the effects of the longitudinal conduction and of the thermal contact resistance between the heat transfer surface and the thermocouple were analyzed carefully. This analysis was incorporated to the superficial temperature determination procedure and allowed to establish the temperature distribution along the surface perimeter. Finally, using the data base raised in this research, a simple and accurate correlation for the fully developed pool boiling heat transfer coefficient for halocarbon refrigerants applications has been developed.

O estudo consistiu em uma análise teórica experimental, com o desenvolvimento de uma correlação, dos parâmetros que afetam a ebulição nucleada de refrigerantes halogenados em superfícies cilíndricas lisas. Uma ampla análise da literatura permitiu levantar os distintos tópicos envolvendo este tema destacando entre eles o presente estudo. A análise da literatura envolveu, ainda, um estudo detalhado dos fundamentos da ebulição e das correlações para a previsão do coeficiente de transferência de calor. Foi projetado e construído um aparato experimental no qual foram realizados ensaios envolvendo superfícies de aço inoxidável, cobre e latão, os refrigerantes R-11, R-123, R-12, R-22 e R-134a, fluxos específicos de calor entre 0,8 e 120 kW/m&sup2, pressões reduzidas de 0,008 a 0,26 e rugosidade aritmética média variando entre 0,02 e 3,3 &#956m. A análise destes resultados possibilitou a verificação de comportamentos físicos inéditos segundo a literatura consultada. Destaca-se a análise de efeitos da condução longitudinal e da resistência térmica de contato entre a superfície de transferência de calor e os termopares. Esta análise foi incorporada ao procedimento de determinação da temperatura superficial, e permitiu estabelecer a distribuição de temperaturas ao longo do perímetro da superfície. Finalmente, com base no banco de dados levantado, foi desenvolvida uma correlação para o coeficiente de transferência de calor em ebulição nucleada plenamente desenvolvida de refrigerantes halogenados. / The present research has been focused in a theoretical and experimental analysis of the parameters that affect the pool boiling of halocarbon refrigerants in smooth cylindrical surfaces with the development of a correlation. A wide survey of the literature allowed to list the distinct topics related to this subject and to highlight among them the theme of this study. The literature analysis still involved a detailed study of the pool boiling fundamentals and of the correlations for the pool boiling heat transfer coefficient. An experimental set up has been developed and constructed in which were raise data involving surfaces of stainless steel, copper and brass, the refrigerants R-11, R-123, R-12, R-22 and R-134a, specific heat flux range of 0.8 to 120 kW/m&sup2, reduced pressures from 0.008 to 0.26 and arithmetic mean roughness varying between 0.02 and 3.3 &#956m. The analysis of these results revealed, according to the consulted literature, unpublished physical behaviors. In this work the effects of the longitudinal conduction and of the thermal contact resistance between the heat transfer surface and the thermocouple were analyzed carefully. This analysis was incorporated to the superficial temperature determination procedure and allowed to establish the temperature distribution along the surface perimeter. Finally, using the data base raised in this research, a simple and accurate correlation for the fully developed pool boiling heat transfer coefficient for halocarbon refrigerants applications has been developed.

The content of this thesis encompasses the fundamentals, modelling, chip design, nanofabrication process, measurement setup, and experimental results of devices exploiting the optical properties of phase-change chalcogenide materials. Special attention is paid to integrated Si₃N₄ nanophotonic circuits for optical switching and memory applications, as well as to multilayer stacks for colour modulation. Herein, the implementation of the first robust, non-volatile, phase-change photonic memory is presented. By utilising optical near-field effects for Read, Write and Erase operations, bit storage of up to eight transmission levels is demonstrated in a single device employing Ge₂Sb₂Te₅ as the active material. These on-chip memory cells feature single-shot read-out of the transmission state and switching energies as low as 13.4pJ at speeds approaching 1GHz. The capability to readily switch between intermediate states is also demonstrated, a feature that requires complex iteration-based algorithms in electronic phase-change memories. This photonic memory is not only the first truly non-volatile memory---a long-term elusive goal in integrated photonics---but could also potentially represent the first multi-level memory, including electronic counterparts, that requires no computational post-processing or drift correction. These findings provide a pathway towards solving the throughput limitations of current computer architectures by eliminating the so-called von-Neumann bottleneck and portend a new paradigm in all-photonic memory, non-conventional computing, and tunable photonic devices. Finally, novel capabilities in electro-optic colour modulation using phase-change materials are demonstrated. In particular, this thesis offers the first implementation of Ag₃In₄Sb₇₆Te₁₇-based optical cavities for colour modulation on low-dimensional multilayer stacks. Moreover, "gray-scale" image writing is demonstrated by establishing intermediate levels of crystallisation via voltage modulation. This finding, in turn, corresponds to the first demonstration of nonvolatile colour-depth modulation in the emerging phase-change materials nanodisplay technology, featuring resolutions down to 50nm. Furthermore, a comprehensive comparison is carried out for two types of materials: growth- (Ag₃In₄Sb₇₆Te₁₇) and nucleation-dominated (Ge₂Sb₂Te₅) alloys in terms of colour, energy efficiency, and resolution. These results provide new tools for the new generation of bistable and ultra-high-resolution displays and smart glasses while allowing for other potential applications in photonics and optoelectronics.