Замораживание - Freezing

Вода капает со льда и замерзает, образуя сосульки .

Замораживание - это фазовый переход, при котором жидкость превращается в твердое тело, когда ее температура опускается ниже точки замерзания. В соответствии с принятым на международном уровне определением, замораживание означает изменение фазы затвердевания жидкости или жидкого содержимого вещества, обычно из-за охлаждения .

Хотя некоторые авторы отличают затвердевание от замерзания как процесс, при котором жидкость превращается в твердое тело за счет увеличения давления, эти два термина используются как взаимозаменяемые.

Для большинства веществ точки плавления и замерзания совпадают; однако некоторые вещества обладают разными температурами перехода твердое тело – жидкость. Так , например, агар отображает гистерезис в его точке плавления и точки замерзания. Он плавится при 85 ° C (185 ° F) и затвердевает от 32 ° C до 40 ° C (от 89,6 ° F до 104 ° F).

Кристаллизация

Большинство жидкостей замерзают в результате кристаллизации , образования твердого кристаллического вещества из однородной жидкости. Это термодинамический фазовый переход первого рода , что означает, что пока твердое тело и жидкость сосуществуют, температура всей системы остается почти равной температуре плавления из-за медленного отвода тепла при контакте с воздухом, что является плохой проводник тепла. Из-за скрытой теплоты плавления замораживание значительно замедляется, и температура больше не будет падать после начала замораживания, а продолжит падать после его завершения.

Кристаллизация состоит из двух основных событий: зародышеобразования и роста кристаллов . «Зарождение» - это этап, на котором молекулы начинают собираться в кластеры в нанометровом масштабе, располагаясь определенным и периодическим образом, который определяет кристаллическую структуру . «Рост кристаллов» - это последующий рост зародышей, которым удается достичь критического размера кластера. Термодинамика замерзания и плавления - это классическая дисциплина физической химии, которая в настоящее время развивается вместе с компьютерным моделированием.

Переохлаждение

Быстрое образование кристаллов льда в переохлажденной воде (эксперимент в домашней морозильной камере)

Несмотря на второй закон термодинамики , кристаллизация чистых жидкостей обычно начинается при более низкой температуре , чем точка плавления , из - за высокой энергии активации в гомогенной нуклеации . Создание зародыша предполагает образование границы раздела на границах новой фазы. Некоторая энергия расходуется на формирование этой границы раздела в зависимости от поверхностной энергии каждой фазы. Если гипотетическое ядро ​​слишком мало, энергии, которая выделяется при формировании его объема, недостаточно для создания его поверхности, и зарождение не происходит. Замораживание не начинается до тех пор, пока температура не станет достаточно низкой, чтобы обеспечить достаточно энергии для образования стабильных ядер. При наличии неровностей на поверхности вмещающего сосуда, твердых или газообразных примесей, предварительно сформированных твердых кристаллов или других зародышеобразователей может происходить гетерогенное зародышеобразование , когда некоторая энергия выделяется в результате частичного разрушения предыдущей границы раздела, повышая температуру переохлаждения. быть близкой к температуре плавления или равной ей. Температура плавления воды при давлении в 1 атмосферу очень близка к 0 ° C (32 ° F, 273,15 K), а в присутствии зародышеобразователей точка замерзания воды близка к температуре плавления, но в отсутствие Вода нуклеаторов может переохлаждаться до -40 ° C (-40 ° F; 233 K) перед замораживанием. Под высоким давлением (2000 атмосфер ) вода будет переохлаждаться до -70 ° C (-94 ° F; 203 K) перед замерзанием.

Экзотермичность

Замораживание почти всегда является экзотермическим процессом, а это означает, что когда жидкость превращается в твердую, выделяются тепло и давление. Это часто кажется нелогичным, поскольку температура материала не повышается во время замерзания, за исключением случаев, когда жидкость была переохлаждена . Но это можно понять, поскольку необходимо постоянно отводить тепло от замораживающей жидкости, иначе процесс замораживания остановится. Энергия, выделяющаяся при замерзании, представляет собой скрытую теплоту , известную как энтальпия плавления, и в точности совпадает с энергией, необходимой для плавления того же количества твердого вещества.

Низкотемпературный гелий - единственное известное исключение из общего правила. Гелий-3 имеет отрицательную энтальпию плавления при температурах ниже 0,3 К. Гелий-4 также имеет очень незначительную отрицательную энтальпию плавления ниже 0,8 К. Это означает, что при соответствующих постоянных давлениях к этим веществам должно быть добавлено тепло для того, чтобы заморозить их.

Витрификация

Некоторые материалы, такие как стекло и глицерин , могут затвердевать без кристаллизации; они называются аморфными твердыми телами . Аморфные материалы, как и некоторые полимеры, не имеют точки замерзания, так как не происходит резкого фазового перехода при любой определенной температуре. Вместо этого происходит постепенное изменение их вязкоупругих свойств в диапазоне температур. Такие материалы характеризуются стеклованием, которое происходит при температуре стеклования , которую можно приблизительно определить как «точку перегиба» на графике зависимости плотности материала от температуры. Поскольку стеклование является неравновесным процессом, его нельзя квалифицировать как замораживание, которое требует равновесия между кристаллическим и жидким состояниями.

Расширение

Некоторые вещества, такие как вода и висмут , при замораживании расширяются.

Замораживание живых организмов

Многие живые организмы способны выдерживать длительные периоды времени при температурах ниже точки замерзания воды. Большинство живых организмов накапливают криопротекторы, такие как белки , препятствующие образованию зародышей , полиолы и глюкоза, чтобы защитить себя от повреждений, вызванных морозом острыми кристаллами льда. В частности, большинство растений могут безопасно нагреваться до температуры от -4 ° C до -12 ° C. Некоторые бактерии , особенно Pseudomonas syringae , производят специализированные белки, которые служат мощными зародышеобразователями льда, которые они используют для образования льда на поверхности различных фруктов и растений при температуре около -2 ° C. Замораживание вызывает повреждение эпителия и делает питательные вещества в нижележащих растительных тканях доступными для бактерий.

Бактерии

По сообщениям, три вида бактерий, Carnobacterium pleistocenium , а также Chryseobacterium greenlandensis и Herminiimonas glaciei , были возрождены после тысячелетнего выживания в замороженном состоянии.

Растения

Многие растения подвергаются процессу закаливания , который позволяет им выдерживать температуры ниже 0 ° C от недель до месяцев.

Животные

Нематода Haemonchus contortus может выжить в замороженном состоянии при температуре жидкого азота 44 недели . Другие нематоды, которые выживают при температурах ниже 0 ° C, включают Trichostrongylus colubriformis и Panagrolaimus davidi . Многие виды рептилий и земноводных переживают заморозки. См. Криобиологию для полного обсуждения.

Человеческие гаметы и 2-, 4- и 8-клеточные эмбрионы могут выжить при замораживании и сохраняют жизнеспособность до 10 лет. Этот процесс известен как криоконсервация .

Экспериментальные попытки заморозить людей для последующего возрождения известны как крионика .

Консервация продуктов

Замораживание - это распространенный метод сохранения пищевых продуктов, который замедляет как разложение пищи, так и рост микроорганизмов . Помимо влияния низких температур на скорость реакции , замораживание делает воду менее доступной для роста бактерий . замораживание - один из старейших и наиболее широко используемых методов консервирования продуктов питания еще в 1842 году, замораживание широко использовалось для льда и солевого раствора. При замораживании вкус, запах и питательная ценность в большинстве случаев остаются неизменными. Промышленное применение заморозки стало после появления (внедрения) механического охлаждения. Замораживание успешно применяется для длительного хранения многих пищевых продуктов, обеспечивая значительно увеличенный срок хранения. Консервирование замораживанием обычно считается лучшим по сравнению с консервированием и обезвоживанием в отношении сохранения сенсорных и питательных свойств.

Смотрите также

Стол

Фазовые переходы вещества ( )
К
Из
Твердый Жидкость Газ Плазма
Твердый Плавление Сублимация
Жидкость Замораживание Испарение
Газ Осаждение Конденсация Ионизация
Плазма Рекомбинация

использованная литература

внешние ссылки