Замерзание — это фазовый переход , при котором жидкость превращается в твердое вещество , когда ее температура падает ниже точки замерзания . В соответствии с международно признанным определением, замораживание означает изменение фазы затвердевания жидкости или жидкого содержания вещества, обычно вследствие охлаждения . [1] [2]
Для большинства веществ точки плавления и замерзания имеют одинаковую температуру; однако некоторые вещества обладают разными температурами перехода из твердого тела в жидкость. Например, агар демонстрирует гистерезис температуры плавления и замерзания. Он плавится при 85 ° C (185 ° F) и затвердевает при температуре от 32 ° C до 40 ° C (от 89,6 ° F до 104 ° F). [3]
Большинство жидкостей замерзают в результате кристаллизации, образования кристаллического твердого вещества из однородной жидкости. Это термодинамический фазовый переход первого рода , 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, что плохой проводник тепла. [ нужна цитата ] Из-за скрытой теплоты плавления замерзание значительно замедляется, и температура больше не будет падать после начала замерзания, но продолжит падать после его окончания. [ нужна цитата ]
Кристаллизация состоит из двух основных процессов: зарождения и роста кристаллов . « Нуклеация » — это этап, на котором молекулы начинают собираться в кластеры нанометрового масштаба , располагаясь определенным и периодическим образом, определяющим кристаллическую структуру . « Рост кристаллов » — это последующий рост зародышей, которым удается достичь критического размера кластера. Термодинамика замерзания и плавления — классическая дисциплина физической химии [4] , которая в настоящее время развивается совместно с компьютерным моделированием. [5]
Вопреки второму началу термодинамики кристаллизация чистых жидкостей обычно начинается при температуре ниже температуры плавления из-за высокой энергии активации гомогенного зародышеобразования . Создание зародыша подразумевает образование границы раздела на границах новой фазы. Для формирования этой границы раздела затрачивается некоторая энергия, основанная на поверхностной энергии каждой фазы. Если гипотетическое ядро слишком мало, энергии, которая бы высвободилась при формировании его объема, недостаточно для создания его поверхности, и зарождение не происходит. Замерзание не начинается до тех пор, пока температура не станет достаточно низкой, чтобы обеспечить достаточно энергии для образования стабильных ядер. При наличии неровностей на поверхности содержащего сосуда, твердых или газообразных примесей, предварительно сформированных твердых кристаллов или других зародышеобразователей может возникнуть гетерогенная нуклеация , при которой некоторая энергия высвобождается за счет частичного разрушения предыдущей границы раздела, повышая температуру переохлаждения. быть близким или равным температуре плавления. Температура плавления воды при давлении в 1 атмосферу очень близка к 0 °C (32 °F, 273,15 К), а в присутствии зародышеобразователей температура замерзания воды близка к температуре плавления, но в отсутствие Вода в нуклеаторах может переохлаждаться до -40 ° C (-40 ° F; 233 К) перед замерзанием. [6] [7] Под высоким давлением (2000 атмосфер ) вода переохлаждается до -70 ° C (-94 ° F; 203 К), прежде чем замерзнуть. [8]
Замораживание почти всегда является экзотермическим процессом, то есть при переходе жидкости в твердое состояние выделяется тепло и давление. Это часто рассматривается как нелогично, [9] поскольку температура материала не повышается во время замерзания, за исключением случаев, когда жидкость была переохлаждена . Но это можно понять, поскольку от замерзающей жидкости необходимо постоянно отводить тепло, иначе процесс замерзания остановится. Энергия, выделяющаяся при замерзании, представляет собой скрытую теплоту и известна как энтальпия плавления и точно такая же, как энергия, необходимая для плавления того же количества твердого вещества.
Низкотемпературный гелий — единственное известное исключение из общего правила. [10] Гелий-3 имеет отрицательную энтальпию плавления при температурах ниже 0,3 К. Гелий-4 также имеет очень слегка отрицательную энтальпию плавления ниже 0,8 К. Это означает, что при соответствующих постоянных давлениях к этим веществам необходимо добавлять тепло. чтобы их заморозить. [11]
Некоторые материалы, такие как стекло и глицерин , могут затвердевать, не кристаллизуясь; их называют аморфными твердыми телами . Аморфные материалы, а также некоторые полимеры не имеют точки замерзания, поскольку при какой-либо конкретной температуре не происходит резкого фазового перехода. 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 «перегиба» графика зависимости плотности материала от температуры. Поскольку стеклование является неравновесным процессом, его нельзя квалифицировать как замораживание, которое требует равновесия между кристаллическим и жидким состояниями.
Размер веществ увеличивается или расширяется при нагревании. Такое увеличение размеров тела вследствие нагревания называется тепловым расширением.. Тепловое расширение имеет место во всех объектах и во всех состояниях вещества. Однако разные вещества имеют разную скорость расширения при одном и том же повышении температуры.
Многие живые организмы способны переносить длительные периоды времени при температуре ниже точки замерзания воды. Большинство живых организмов накапливают криопротекторы , такие как антинуклеирующие белки , полиолы и глюкоза, чтобы защитить себя от повреждения морозом острыми кристаллами льда. В частности, большинство растений могут безопасно достигать температуры от -4 °C до -12 °C. Некоторые бактерии , особенно Pseudomonas syringae , производят специализированные белки, которые служат мощными зародышеобразователями льда, которые они используют для формирования льда на поверхности различных фруктов и растений при температуре около -2 °C. [12] Замораживание вызывает повреждение эпителия и делает питательные вещества в подлежащих тканях растения доступными для бактерий. [13]
Сообщается , что три вида бактерий, Carnobacterium pleistocenium , а также Chryseobacterium greenlandensis и Herminiimonas glaciei , были возрождены после тысячелетнего выживания во льду.
Многие растения подвергаются процессу, называемому закаливанием , который позволяет им выдерживать температуру ниже 0 °C в течение недель или месяцев.
Нематода Haemonchus contortus может выжить в замороженном состоянии в течение 44 недель при температуре жидкого азота . Другие нематоды, выживающие при температуре ниже 0 °C, включают Trichostrongylus colubriformis и Panagrolaimus davidi . Многие виды рептилий и амфибий переживают заморозки.
Человеческие гаметы и 2-, 4- и 8-клеточные эмбрионы могут пережить замораживание и жизнеспособны до 10 лет. Этот процесс известен как криоконсервация .
Экспериментальные попытки заморозить людей для последующего возрождения известны как крионика .
Замораживание — распространенный метод консервирования продуктов питания , который замедляет как разложение продуктов, так и рост микроорганизмов . Помимо влияния более низких температур на скорость реакций , замораживание делает воду менее доступной для роста бактерий . замораживание — один из старейших и наиболее широко используемых методов консервирования продуктов питания. Еще в 1842 году широко применялось замораживание в рассоле со льдом и солью. При замораживании вкус, запах и питательная ценность, как правило, остаются неизменными. Замораживание стало коммерчески применимым после появления (внедрения) механического охлаждения. Замораживание успешно применяется для длительного сохранения многих пищевых продуктов, обеспечивая значительно более длительный срок хранения. Сохранение замораживанием обычно считается более эффективным, чем консервирование и обезвоживание, с точки зрения сохранения органолептических и питательных свойств.
СМИ, связанные с замораживанием, на Викискладе?