Замерзание — это фазовый переход , при котором жидкость превращается в твёрдое тело , когда её температура опускается ниже точки замерзания . [1] [2]
Для большинства веществ точки плавления и замерзания совпадают, однако некоторые вещества обладают разными температурами перехода из твердого состояния в жидкое. Например, агар демонстрирует гистерезис в точке плавления и точке замерзания. Он плавится при 85 °C (185 °F) и затвердевает при температуре от 32 до 40 °C (от 90 до 104 °F). [3]
Большинство жидкостей замерзают путем кристаллизации, образования кристаллического твердого вещества из однородной жидкости. Это термодинамический фазовый переход первого порядка , который 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, который является плохим проводником тепла. [ необходима цитата ] Из-за скрытой теплоты плавления замерзание значительно замедляется, и температура больше не будет падать после начала замерзания, но продолжит падать после его окончания. [ необходима цитата ]
Кристаллизация состоит из двух основных событий: зародышеобразование и рост кристаллов . « Зародышеобразование » — 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, которые успешно достигают критического размера кластера.
Несмотря на второй закон термодинамики , кристаллизация чистых жидкостей обычно начинается при более низкой температуре, чем точка плавления , из-за высокой энергии активации гомогенного зародышеобразования . Создание зародыша подразумевает образование интерфейса на границах новой фазы. Некоторая энергия расходуется на формирование этого интерфейса, исходя из поверхностной энергии каждой фазы. Если гипотетический зародыш слишком мал, энергии, которая выделилась бы при формировании его объема, недостаточно для создания его поверхности, и зародышеобразование не происходит. Замерзание не начинается до тех пор, пока температура не станет достаточно низкой, чтобы обеспечить достаточно энергии для образования стабильных зародышей. При наличии неровностей на поверхности содержащего сосуда, твердых или газообразных примесей, предварительно сформированных твердых кристаллов или других зародышеобразователей может происходить гетерогенное зародышеобразование , при котором некоторая энергия высвобождается за счет частичного разрушения предыдущего интерфейса, повышая точку переохлаждения до близкой или равной температуре плавления. Температура плавления воды при давлении в 1 атмосферу очень близка к 0 °C (32 °F; 273 K), а в присутствии зародышеобразующих веществ температура замерзания воды близка к температуре плавления, но в отсутствие зародышеобразователей вода может переохладиться до −40 °C (−40 °F; 233 K) перед замерзанием. [4] [5] Под высоким давлением (2000 атмосфер ) вода будет переохлаждаться до −70 °C (−94 °F; 203 K) перед замерзанием. [6]
Замерзание почти всегда является экзотермическим процессом, то есть при превращении жидкости в твердое тело выделяется тепло и давление. Это часто рассматривается как противоречащее здравому смыслу, поскольку температура материала не повышается во время замерзания, за исключением случаев, когда жидкость была переохлаждена . Но это можно понять, поскольку тепло должно постоянно отводиться от замерзающей жидкости, иначе процесс замерзания прекратится. Энергия, выделяемая при замерзании, является скрытой теплотой и известна как энтальпия плавления и точно такая же, как энергия, необходимая для расплавления того же количества твердого тела.
Низкотемпературный гелий является единственным известным исключением из общего правила. [7] Гелий-3 имеет отрицательную энтальпию плавления при температурах ниже 0,3 К. Гелий-4 также имеет очень слабо отрицательную энтальпию плавления ниже 0,8 К. Это означает, что при соответствующих постоянных давлениях к этим веществам необходимо добавлять тепло, чтобы заморозить их. [8]
Некоторые материалы, такие как стекло и глицерин , могут затвердевать без кристаллизации; их называют аморфными твердыми телами . Аморфные материалы, а также некоторые полимеры, не имеют точки замерзания, поскольку не происходит резкого изменения фазы при какой-либо определенной температуре. Вместо этого происходит постепенное изменение их вязкоупругих свойств в диапазоне температур. Такие материалы характеризуются стеклованием, которое происходит при температуре стеклования , которую можно грубо определить как точку «колена» на графике зависимости плотности материала от температуры. Поскольку стеклование является неравновесным процессом, оно не может считаться замораживанием, которое требует равновесия между кристаллическим и жидким состоянием.
Размеры веществ увеличиваются или расширяются при нагревании. Это увеличение размеров тела из-за нагревания называется тепловым расширением. Тепловое расширение происходит во всех объектах и во всех состояниях вещества. Однако разные вещества имеют разные скорости расширения при одном и том же повышении температуры.
Многие живые организмы способны переносить длительные периоды времени при температурах ниже точки замерзания воды. Большинство живых организмов накапливают криопротекторы , такие как антинуклеирующие белки , полиолы и глюкозу, чтобы защитить себя от повреждения заморозками острыми кристаллами льда. Большинство растений, в частности, могут безопасно достигать температур от −4 °C до −12 °C. Некоторые бактерии , в частности Pseudomonas syringae , вырабатывают специализированные белки, которые служат мощными нуклеаторами льда, которые они используют для принудительного образования льда на поверхности различных фруктов и растений при температуре около −2 °C. [9] Замораживание вызывает повреждения эпителия и делает питательные вещества в нижележащих тканях растений доступными для бактерий. [10]
Сообщается, что три вида бактерий, Carnobacterium pleistocenium , а также Chryseobacterium greenlandensis и Herminiimonas glaciei , были возрождены после того, как в течение тысяч лет находились в замороженном состоянии во льду. [ необходима цитата ]
Многие растения проходят процесс, называемый закаливанием , который позволяет им выдерживать температуры ниже 0 °C в течение недель или месяцев.
Нематода Haemonchus contortus может выживать в течение 44 недель при заморозке при температуре жидкого азота . Другие нематоды, которые выживают при температуре ниже 0 °C, включают Trichostrongylus colubriformis и Panagrolaimus davidi . Многие виды рептилий и амфибий выживают при заморозке.
Человеческие гаметы и 2-, 4- и 8-клеточные эмбрионы могут выдерживать замораживание и сохранять жизнеспособность до 10 лет. Этот процесс известен как криоконсервация .
Экспериментальные попытки заморозить людей для последующего оживления известны как крионика .
Замораживание — это распространенный метод сохранения продуктов питания , который замедляет как разложение продуктов, так и рост микроорганизмов . Помимо влияния низких температур на скорость реакции , замораживание делает воду менее доступной для роста бактерий . Замораживание — это широко используемый метод сохранения продуктов питания. Замораживание, как правило, сохраняет вкусы, запах и питательную ценность. Замораживание стало коммерчески выгодным
Медиа, связанные с заморозкой на Wikimedia Commons,