Мгновенная заморозка

Процесс, при котором объекты быстро замораживаются путем воздействия криогенных температур.

В физике и химии мгновенная заморозка — это процесс, при котором объекты быстро замораживаются. ^[1] Это делается путем воздействия на них криогенных температур или путем прямого контакта с жидким азотом при температуре −196 °C (−320,8 °F). Это обычно используется в пищевой промышленности .

Мгновенное замораживание имеет большое значение в науке об атмосфере , поскольку его изучение необходимо для правильной климатической модели формирования ледяных облаков в верхней тропосфере , которые эффективно рассеивают поступающую солнечную радиацию и предотвращают перегрев Земли солнцем . ^[2]

Этот процесс также тесно связан с классической теорией зародышеобразования , которая помогает понять многие материалы, явления и теории в связанных ситуациях.

Обзор

Кристаллы льда в замерзшем пруду. Когда вода медленно остывает, образуются кристаллы.

Когда вода замерзает медленно, кристаллы растут из меньшего количества центров зародышеобразования, что приводит к меньшему количеству и более крупных кристаллов. Это повреждает клеточные стенки и вызывает дегидратацию клеток . Когда вода замерзает быстро, как при мгновенном замораживании, появляется больше центров зародышеобразования и больше более мелких кристаллов. Это приводит к гораздо меньшему повреждению клеточных стенок, пропорциональному скорости замораживания. Вот почему мгновенное замораживание хорошо для сохранения продуктов питания и тканей . ^[3]

Приложения и методы

Для криоконсервации используется метод мгновенной заморозки .

Мгновенная заморозка используется в пищевой промышленности для быстрой заморозки скоропортящихся продуктов питания (см. замороженные продукты ). В этом случае продукты питания подвергаются воздействию температур значительно ниже ^{[ необходимо уточнение ]} точки замерзания воды . Таким образом, образуются более мелкие кристаллы льда, что наносит меньший ущерб клеточным мембранам . ^[4]

Методы мгновенного замораживания используются для быстрого замораживания биологических образцов, чтобы не образовывались крупные кристаллы льда и не повреждали образец. ^[5] Такое быстрое замораживание осуществляется путем погружения образца в жидкий азот или смесь сухого льда и этанола . ^[6]

Американский изобретатель Кларенс Бердсай разработал процесс «быстрой заморозки» для сохранения продуктов питания в 20 веке с использованием криогенного процесса. ^[7] На практике обычно используется процесс механического замораживания из-за его стоимости. Происходит постоянная оптимизация скорости замораживания при механическом замораживании для минимизации размера кристаллов льда. ^[3]

Результаты имеют важное значение для исследований по контролю климата . Один из текущих споров заключается в том, происходит ли образование льда вблизи поверхности или внутри микрометровых капель, взвешенных в облаках. Если это первое, то эффективные инженерные подходы могут быть использованы для настройки поверхностного натяжения воды таким образом, чтобы можно было контролировать скорость кристаллизации льда. ^[2]

Как замерзает вода

Существуют такие явления, как переохлаждение , при котором вода охлаждается ниже точки замерзания , но вода остается жидкой, если дефектов для затравки кристаллизации слишком мало . Поэтому можно наблюдать задержку, пока вода не приспособится к новой температуре ниже точки замерзания. ^[8] Переохлажденная жидкая вода должна стать льдом при -48 C (-55 F), не только из-за экстремального холода, но и потому, что молекулярная структура воды физически изменяется, образуя формы тетраэдра , при этом каждая молекула воды слабо связана с четырьмя другими. ^[9] Это предполагает структурное изменение от жидкости к «промежуточному льду». ^[9] Кристаллизация льда из переохлажденной воды обычно инициируется процессом, называемым зародышеобразованием. Скорость и размер зародышеобразования происходят в пределах наносекунд и нанометров . ^[2]

Поверхностная среда не играет решающей роли в образовании льда и снега . ^[10] Колебания плотности внутри капель приводят к возможным областям замерзания, покрывающим среднюю и поверхностную области. ^[11] Замерзание с поверхности или изнутри может быть случайным. ^[11] Однако в странном мире воды теоретически все еще присутствуют крошечные количества жидкой воды, даже когда температуры опускаются ниже −48 °C (−54 °F), и почти вся вода превратилась в твердое вещество, либо в кристаллический лед, либо в аморфную воду. Ниже −48 °C (−54 °F) лед кристаллизуется слишком быстро, чтобы можно было измерить какие-либо свойства оставшейся жидкости. ^[9] Скорость замерзания напрямую влияет на процесс зародышеобразования и размер кристаллов льда. Переохлажденная жидкость будет оставаться в жидком состоянии ниже нормальной точки замерзания, когда у нее мало возможностей для зародышеобразования; то есть, если она достаточно чистая и имеет достаточно гладкий контейнер. После перемешивания она быстро станет твердой. На заключительном этапе замерзания ледяная капля образует заостренный кончик, который не наблюдается у большинства других жидкостей и возникает из-за того, что вода расширяется при замерзании. ^[10] После того, как жидкость полностью замерзает, острый кончик капли притягивает водяной пар из воздуха, подобно тому, как острый металлический громоотвод притягивает электрические заряды . ^[10] Водяной пар собирается на кончике, и начинает расти дерево маленьких ледяных кристаллов. ^[10] Было показано, что противоположный эффект заключается в преимущественном извлечении молекул воды из острого края картофельных дольок в духовке. ^[10]

Если микроскопическую каплю воды очень быстро охладить, она образует то, что называется стеклом ( аморфный лед низкой плотности ), в котором все тетраэдры молекул воды не выстроены в линию, а являются аморфными. ^[9] Изменение структуры воды контролирует скорость образования льда. ^[9] В зависимости от температуры и давления водяной лед имеет 16 различных кристаллических форм , в которых молекулы воды сцепляются друг с другом водородными связями . ^[9] Когда вода охлаждается, ее структура становится ближе к структуре льда, поэтому плотность уменьшается, и это должно отражаться в увеличении скорости кристаллизации, показывающей эти кристаллические формы. ^[9]

Связанные величины

Для понимания процесса мгновенного замораживания могут быть полезны различные связанные с ним величины.

Рост кристаллов или зародышеобразование — это образование новой термодинамической фазы или новой структуры посредством самосборки. Зародышеобразование часто оказывается очень чувствительным к примесям в системе. Для зародышеобразования новой термодинамической фазы, например, образования льда в воде при температуре ниже 0 °C (32 °F), если система не развивается со временем и зародышеобразование происходит в один этап, то вероятность того, что зародышеобразование не произошло, должна претерпеть экспоненциальный спад . Это также можно наблюдать при зародышеобразовании льда в переохлажденных мелких каплях воды. ^[12] Скорость спада экспоненты дает скорость зародышеобразования и определяется как

${\displaystyle R\ =\ N_{S}Zj\exp \left({\frac {-\Delta G^{*}}{k_{B}T}}\right)}$

Где

• ${\displaystyle {\displaystyle \Delta G^{*}}}$— стоимость свободной энергии ядра на вершине барьера зародышеобразования, kBT — тепловая энергия, где T — абсолютная температура, а kB — постоянная Больцмана .
• ${\displaystyle {\displaystyle N_{S}}}$— это число центров зародышеобразования.
• ${\displaystyle {\displaystyle j}}$это скорость, с которой молекулы прикрепляются к ядру, вызывая его рост.
• ${\displaystyle {\displaystyle Z}}$это то, что называется фактором Зельдовича Z. По сути, фактор Зельдовича — это вероятность того, что ядро ​​на вершине барьера продолжит формировать новую фазу, а не растворится.

Разница в энергетических барьерах.

Классическая теория зародышеобразования — широко используемая приближенная теория для оценки этих скоростей и того, как они изменяются в зависимости от таких переменных, как температура. Она правильно предсказывает, что время, необходимое для зародышеобразования, уменьшается чрезвычайно быстро при пересыщении. ^{[13] [14]}

Зародышеобразование можно разделить на однородное зародышеобразование и гетерогенное зародышеобразование. Сначала идет однородное зародышеобразование, поскольку оно намного проще. Классическая теория зародышеобразования предполагает, что для микроскопического зародыша новой фазы свободная энергия капли может быть записана как сумма объемного члена, пропорционального объему и поверхностному члену.

${\displaystyle {\displaystyle \Delta G={\frac {4}{3}}\pi r^{3}\Delta g+4\pi r^{2}\sigma }}$

Первый член — это объемный член, и, предполагая, что ядро ​​имеет сферическую форму, это объем сферы радиусом . — это разница свободной энергии на единицу объема между термодинамической фазой, в которой происходит зародышеобразование, и фазой, которая зарождается. ${\displaystyle {\displaystyle r}}$ ${\displaystyle {\displaystyle \Delta g}}$

критического радиуса ядра, при некотором промежуточном значении , свободная энергия проходит через максимум, и поэтому вероятность образования ядра проходит через минимум. Существует наименее вероятное ядро, то есть то, которое имеет наибольшее значение , где ${\displaystyle {\displaystyle r}}$ ${\displaystyle {\displaystyle \Delta G}}$

${\displaystyle {\displaystyle {\frac {dG}{dr}}=0}}$

Это называется критическим зародышем и происходит при радиусе критического зародыша

${\displaystyle {\displaystyle r^{*}=-{\frac {2\sigma }{\Delta g}}}}$

Добавление новых молекул к ядрам, радиус которых больше этого критического, уменьшает свободную энергию, поэтому такие ядра более вероятны.

Гетерогенное зародышеобразование, зародышеобразование с зародышем на поверхности, встречается гораздо чаще, чем гомогенное зародышеобразование. Гетерогенное зародышеобразование обычно происходит намного быстрее гомогенного зародышеобразования, поскольку барьер зародышеобразования на поверхности намного ниже. Это происходит потому, что барьер зародышеобразования возникает из-за положительного члена в свободной энергии , который является поверхностным членом. Таким образом, в заключение, вероятность зародышеобразования наиболее высока на поверхности, а не в центре жидкости. ${\displaystyle {\displaystyle \Delta G^{*}}}$ ${\displaystyle {\displaystyle \Delta G}}$

Давление Лапласа — это разница давлений между внутренней и внешней частью искривленной поверхности между газовой областью и жидкой областью. Давление Лапласа определяется из уравнения Юнга-Лапласа, которое задается как

${\displaystyle \Delta P\equiv P_{\text{inside}}-P_{\text{outside}}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)}$.

где и — главные радиусы кривизны , а (также обозначается как ) — поверхностное натяжение . ${\displaystyle {\displaystyle R_{1}}}$ ${\displaystyle {\displaystyle R_{2}}}$ ${\displaystyle {\displaystyle \gamma }}$ ${\displaystyle {\displaystyle \sigma }}$

Поверхностное натяжение можно определить через силу или энергию. Поверхностное натяжение жидкости — это отношение изменения энергии жидкости к изменению площади поверхности жидкости (которое привело к изменению энергии). Его можно определить как . Эта работа W интерпретируется как потенциальная энергия . ${\displaystyle \gamma ={\frac {W}{\Delta A}}}$

Смотрите также

• Криогеника
• Замороженные продукты

Ссылки

1. «Что такое мгновенная заморозка? (с картинками)». 27 февраля 2024 г.
2. "Лучшее понимание поведения воды при замерзании в наномасштабе". sciencedaily.com . Получено 17.01.2017 .
3. "Замораживание фруктов и овощей". www.fao.org . Получено 2020-04-06 .
4. Да-Вен Сан (2001), Достижения в области охлаждения пищевых продуктов, Йен-Кон Хунг, Криогенное охлаждение, стр. 318, Издательство Leatherhead Food Research Association, http://www.worldcat.org/title/advances-in-food-refrigeration/oclc/48154735
5. "Замораживание тканей". Biotech.ufl.edu. Архивировано из оригинала 11 января 2012 года . Получено 2009-07-03 .
6. "Preparing Competent E. coli with RF1/RF2 solutions". Personal.psu.edu. Архивировано из оригинала 2021-09-23 . Получено 2009-07-03 .
7. «Быстрозамороженные продукты, точь-в-точь как свежие». Popular Science Monthly , сентябрь 1930 г., стр. 26-27.
8. "Сверхизлучающая материя: новая парадигма для исследования динамических фазовых переходов". sciencedaily.com . Получено 17.01.2017 .
9. "Сверхохлаждение: Вода не замерзает до -48 C (-55 F)". sciencedaily.com . Получено 17.01.2017 .
10. "Замерзающие капли воды образуют острые ледяные пики". sciencedaily.com . Получено 17.01.2017 .
11. "Как замерзают капли воды: физика льда и снега". sciencedaily.com . Получено 17.01.2017 .
12. Дафт, Д. (2004). Лабораторные доказательства объемного зародышеобразования льда в переохлажденных микрокаплях воды . Атмосферная химия и физика.
13. Pruppacher. Klett, HR, JD (1997). Микрофизика облаков и осадков . Kluwer.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
14. Сир, РП (2007). Зародышеобразование: теория и приложения к белковым растворам и коллоидным суспензиям . Physics Cond. Matt.