Переохлаждение - Supercooling

Переохлажденная вода, еще в жидком состоянии.
Начало затвердевания в результате выхода из состояния покоя.

Переохлаждение , также известное как переохлаждение , представляет собой процесс понижения температуры жидкости или газа ниже точки замерзания без превращения в твердое вещество . Это достигается при отсутствии затравочного кристалла или ядра, вокруг которого может формироваться кристаллическая структура. Переохлаждение воды может быть достигнуто без каких-либо специальных методов, кроме химической деминерализации, до -48,3 ° C (-55 ° F). Капли переохлажденной воды часто присутствуют в слоистых и кучевых облаках . На летательном аппарате, пролетающем через такое облако, происходит резкая кристаллизация этих капель, что может привести к образованию льда на крыльях самолета или блокировке его инструментов и датчиков.

Животные используют переохлаждение, чтобы выжить при экстремальных температурах, только в крайнем случае. Существует множество методов, которые помогают поддерживать жидкое состояние, например, производство белков-антифризов , которые связываются с кристаллами льда, чтобы предотвратить связывание молекул воды и распространение льда. Зимой камбала является одной из таких рыб , которые используют эти белки , чтобы выжить в холодной среде. В растениях клеточные барьеры, такие как лигнин , суберин и кутикула, ингибируют зародышеобразователи льда и заставляют воду проникать в переохлажденные ткани.

Одно из коммерческих применений переохлаждения - охлаждение . Морозильные камеры могут охладить напитки до переохлажденного уровня, так что при открытии они образуют слякоть . Переохлаждение также успешно применялось для сохранения органов в Массачусетской больнице общего профиля / Гарвардской медицинской школе . Печень, которую позже пересаживали животным-реципиентам, сохраняли переохлаждением до 96 часов (4 дней), что в четыре раза превышало пределы того, что можно было достичь с помощью обычных методов сохранения печени.

Объяснение

Жидкость, пересекающая стандартную точку замерзания, будет кристаллизоваться в присутствии затравочного кристалла или ядра, вокруг которого может образоваться кристаллическая структура, образуя твердое тело. В отсутствие таких зародышей жидкая фаза может поддерживаться вплоть до температуры, при которой происходит гомогенное зародышеобразование кристаллов .

Гомогенное зародышеобразование может происходить выше температуры стеклования , но если гомогенное зародышеобразование не происходит выше этой температуры, образуется аморфное (некристаллическое) твердое вещество.

Вода обычно замерзает при температуре 273,15  К (0 ° C или 32 ° F), но ее можно «переохлаждать» при стандартном давлении до кристаллической гомогенной нуклеации почти при 224,8 К (-48,3 ° C / -55 ° F). Процесс переохлаждения требует, чтобы вода была чистой и не содержала центров зародышеобразования , что может быть достигнуто с помощью таких процессов, как обратный осмос или химическая деминерализация , но само охлаждение не требует какой-либо специальной техники. Если воду охладить со скоростью порядка 10 6  К / с, можно избежать зародышеобразования кристаллов, и вода станет стеклом, то есть аморфным (некристаллическим) твердым телом. Его температура стеклования намного ниже и ее сложнее определить, но исследования оценивают ее примерно в 136 К (-137 ° C / -215 ° F). Стекловидная вода может быть нагрета примерно до 150 К (-123 ° C / -189,4 ° F) без образования зародышей. В диапазоне температур от 231 K (-42 ° C / -43,6 ° F) до 150 K (-123 ° C / -189,4 ° F) эксперименты обнаруживают только кристаллический лед.

Капли переохлажденной воды часто присутствуют в слоистых и кучевых облаках . На летательном аппарате, пролетающем через такое облако, происходит резкая кристаллизация этих капель, что может привести к образованию льда на крыльях самолета или блокировке его инструментов и датчиков, если самолет не оборудован соответствующей системой защиты от обледенения . Ледяной дождь также вызывается переохлажденными каплями.

Процесс, противоположный переохлаждению, т.е. плавление твердого вещества выше точки замерзания, намного сложнее, и твердое тело почти всегда будет плавиться при одной и той же температуре при заданном давлении . По этой причине температуру плавления обычно определяют с помощью прибора для определения точки плавления ; даже когда предметом статьи является «определение точки замерзания», фактическая методология - «принцип наблюдения за исчезновением, а не за образованием льда». При заданном давлении можно перегреть жидкость выше точки кипения, не превращая ее в газ.

Переохлаждение часто путают с понижением точки замерзания . Переохлаждение - это охлаждение жидкости ниже точки замерзания без превращения ее в твердое тело. Понижение точки замерзания - это когда раствор может быть охлажден ниже точки замерзания соответствующей чистой жидкости из-за присутствия растворенного вещества ; Примером этого является понижение точки замерзания, возникающее при добавлении соли в чистую воду.

Конституционное переохлаждение

Конституциональное переохлаждение - фазовая диаграмма, концентрация и температура

Конституциональное переохлаждение, которое происходит во время затвердевания, происходит из-за изменений состава твердого вещества и приводит к охлаждению жидкости ниже точки замерзания перед границей раздела твердое тело-жидкость . При затвердевании жидкости граница раздела часто бывает нестабильной, и скорость границы раздела твердое тело – жидкость должна быть небольшой, чтобы избежать конституционного переохлаждения.

Зоны переохлаждения наблюдаются, когда градиент температуры ликвидуса на границе раздела больше, чем градиент температуры.

или

Наклон границы ликвидуса на фазовой диаграмме равен

Градиент концентрации связан с точками, а на фазовой диаграмме:

Для стационарного роста и статистическую сумму можно считать постоянной. Следовательно, минимальный температурный градиент, необходимый для создания устойчивого твердого фронта, указан ниже.

Для получения дополнительной информации см. Уравнение (3)

У животных

Чтобы выжить при экстремально низких температурах в определенных средах, некоторые животные используют явление переохлаждения, которое позволяет им оставаться незамерзшими и избегать повреждения клеток и гибели. Существует множество методов, которые помогают поддерживать жидкое состояние, например, производство белков-антифризов или AFP, которые связываются с кристаллами льда, чтобы предотвратить связывание молекул воды и распространение льда. Зимой камбала является одной из таких рыб , которые используют эти белки , чтобы выжить в холодной среде. Неколлигативные белки секретируются печенью в кровоток. Другие животные используют коллигативные антифризы, которые увеличивают концентрацию растворенных веществ в их телесных жидкостях, тем самым снижая их точку замерзания. Рыбы, которые зависят от переохлаждения для выживания, также должны жить глубоко под поверхностью воды, потому что, если они вступят в контакт с ядрами льда, они немедленно замерзнут. Животные, которые подвергаются переохлаждению, чтобы выжить, должны также удалять из своего тела агенты, образующие зародыши льда, потому что они действуют как отправная точка для замораживания. Переохлаждение также является обычным явлением для некоторых насекомых, рептилий и других видов эктотерм . Личинка картофельной цистовой нематоды ( Globodera rostochiensis ) могла выжить внутри своих цист в переохлажденном состоянии до температур до -38 ° C (-36 ° F), даже если циста была покрыта льдом.

Переохлаждение - последнее средство для животных. Лучший вариант - по возможности переехать в более теплую среду. По мере того, как животное становится все дальше и дальше от исходной точки замерзания, вероятность самопроизвольного замерзания его внутренних жидкостей резко возрастает, поскольку это термодинамически нестабильное состояние. Жидкости в конечном итоге достигают точки переохлаждения, то есть температуры, при которой переохлажденный раствор самопроизвольно замерзает из-за того, что он намного ниже его нормальной точки замерзания. Животные непреднамеренно переохлаждены и могут снизить вероятность замерзания только после переохлаждения. Несмотря на то, что переохлаждение необходимо для выживания, с ним связано множество рисков.

В растениях

Растения также могут выжить в условиях экстремального холода в зимние месяцы. Многие виды растений, обитающие в северном климате, могут акклиматизироваться в этих холодных условиях за счет переохлаждения, таким образом, эти растения выживают при температурах до -40 ° C. Хотя это явление переохлаждения плохо изучено, оно было обнаружено с помощью инфракрасной термографии . Зарождение льда происходит в определенных органах и тканях растения, спорно начиная с ткани ксилемы и распространяясь по остальной части растения. Инфракрасная термография позволяет визуализировать капли воды по мере их кристаллизации во внеклеточном пространстве.

Переохлаждение препятствует образованию льда в ткани за счет зародышеобразования льда и позволяет клеткам поддерживать воду в жидком состоянии, а также позволяет воде внутри клетки оставаться отдельно от внеклеточного льда. Клеточные барьеры, такие как лигнин , суберин и кутикула, ингибируют зародышеобразователи льда и заставляют воду проникать в переохлажденные ткани. Ксилема и первичная ткань растений очень чувствительны к холоду из-за большого количества воды в клетке. Многие бореальные породы древесины лиственных пород в северном климате обладают способностью предотвращать распространение льда на побеги, позволяя растениям переносить холода. Переохлаждение было обнаружено у вечнозеленых кустарников Rhododendron ferrugineum и Vaccinium vitis-idaea, а также у видов Abies , Picea и Larix . Замораживание вне клетки и внутри клеточной стенки не влияет на выживание растения. Однако внеклеточный лед может привести к обезвоживанию растений.

В морской воде

Присутствие соли в морской воде влияет на температуру замерзания. По этой причине морская вода может оставаться в жидком состоянии при температурах ниже точки замерзания. Это «псевдопереохлаждение», потому что это явление является результатом понижения точки замерзания, вызванного присутствием соли, а не переохлаждением. Это состояние чаще всего наблюдается в океанах вокруг Антарктиды, где таяние нижней поверхности шельфовых ледников под высоким давлением приводит к образованию жидкой талой воды, температура которой может быть ниже точки замерзания. Предполагается, что вода не замерзает сразу из-за отсутствия центров зародышеобразования. Это создает проблемы для океанографических приборов, поскольку кристаллы льда могут легко образовываться на оборудовании, что может повлиять на качество данных. В конечном итоге наличие чрезвычайно холодной морской воды повлияет на рост морского льда .

Приложения

Одно из коммерческих применений переохлаждения - охлаждение . Морозильные камеры могут охладить напитки до переохлажденного уровня, так что при открытии они образуют слякоть . Другой пример - продукт, который может переохлаждать напиток в обычной морозильной камере. Компания Coca-Cola в течение короткого времени продавала специальные торговые автоматы со Sprite в Великобритании и Coke в Сингапуре, в которых бутылки хранились в переохлажденном состоянии, так что их содержимое превращалось в слякоть при открытии.

Переохлаждение успешно применялось для сохранения органов в Массачусетской больнице общего профиля / Гарвардской медицинской школе . Печень, которую позже пересаживали животным-реципиентам, сохраняли переохлаждением до 96 часов (4 дней), что в четыре раза превышало пределы того, что можно было достичь с помощью обычных методов сохранения печени. Печень переохлаждена до температуры –6 ° C в специальном растворе, защищающем от замерзания и травм от холода.

Еще одно возможное применение - доставка лекарств. В 2015 году исследователи кристаллизовали мембраны в определенное время. Инкапсулированные в жидкость лекарства могут быть доставлены к месту, и при небольшом изменении окружающей среды жидкость быстро превращается в кристаллическую форму, которая высвобождает лекарство.

В 2016 году команда из Университета штата Айова предложила метод «пайки без нагрева» с использованием инкапсулированных капель переохлажденного жидкого металла для ремонта термочувствительных электронных устройств. В 2019 году та же команда продемонстрировала использование недостаточно охлажденного металла для печати твердых металлических межсоединений на поверхностях от полярных (бумага и желе) до супергидрофобных (лепестки роз), причем все поверхности имеют более низкий модуль упругости, чем металл.

Eftekhari et al. предложил эмпирическую теорию, объясняющую, что переохлаждение ионных жидких кристаллов может создавать упорядоченные каналы для диффузии для приложений хранения энергии. В этом случае электролит имеет жесткую структуру, сравнимую со структурой твердого электролита, но коэффициент диффузии может быть таким же большим, как у жидких электролитов. Переохлаждение увеличивает вязкость среды, но сохраняет направленные каналы открытыми для диффузии.

В космическом полете

В космических полетах этот термин используется несколько иначе. Здесь это относится к криогенному топливу или окислителям, которые охлаждаются значительно ниже их точки кипения (но не ниже точки плавления ). Это приводит к более высокой плотности топлива и, следовательно, большей емкости топливных баков без увеличения их веса. В то же время потери на испарение снижаются.

SpaceX «s Falcon 9 ракеты использует переохлаждение для его окислителя.

Термин суперохлаждение также используется для этой техники.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки