Мгновенное замораживание

Эта статья написана как руководство или путеводитель . Пожалуйста, помогите переписать эту статью с описательной, нейтральной точки зрения и удалить совет или инструкцию. ( Июль 2018 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

В физике и химии , флэш - замораживания это процесс , при котором объекты заморожены в течение нескольких часов ^[1] , подвергая их криогенные температуры, или при непосредственном контакте с жидким азотом при температуре -196 ° C (-320.8 ° F). Обычно используется в пищевой промышленности .

Мгновенное замораживание имеет большое значение в науке об атмосфере , поскольку его изучение необходимо для правильной климатической модели образования 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 нам понять многие материалы, явления и теории в связанных ситуациях.

Введение [ править ]

Снежные кристаллы

Когда вода переохлаждена до температуры ниже -48 ° C (-54 ° F), она должна замерзнуть. ^[3]

Замерзшая вода - центральная проблема климата, геологии и жизни. ^[4] На Земле лед и снег покрывают зимой 10% суши и до 50% северного полушария . ^[4] Полярные ледяные шапки отражают до 90% падающей солнечной радиации. ^[4] Наука о замораживании воды зависит от множества факторов, в том числе от того, как замерзают капли воды, сколько воды находится в атмосфере, находится ли вода в жидком или кристаллическом состоянии, при какой температуре она замерзает и кристаллизуется ли она изнутри или изнутри. с поверхности. ^{[3] [4]}

Замораживание наноразмерных капель воды или кремниевой жидкости начинается на нескольких разных расстояниях от центра капли, что дает новое понимание давнего спора в области материальной и химической физики . ^[4]

Когда вода находится в обычной морозильной камере , запускается динамический фазовый переход . ^[5] Образующийся лед зависит от того, насколько быстро система охлаждается: если вода охлаждается ниже точки замерзания медленно, в результате образуются кристаллы льда, а не поликристаллическое твердое вещество, образующееся при мгновенном замораживании. ^[5]

Приложения и методы [ править ]

Для криоконсервации используется мгновенное замораживание .

Мгновенная заморозка используется в пищевой промышленности для быстрого замораживания скоропортящихся продуктов (см. Замороженные продукты ). В этом случае пищевые продукты подвергаются воздействию температур значительно ниже точки плавления / замерзания воды ^{[ требуется разъяснение ]} . Таким образом образуются более мелкие кристаллы льда, вызывающие меньшее повреждение клеточных мембран . ^[6]

Методы мгновенного замораживания используются для быстрого замораживания биологических образцов, так что крупные кристаллы льда не могут образоваться и повредить образец. ^[7] Это быстрое замораживание достигается путем погружения образца в жидкий азот или смесь сухого льда и этанола . ^[8]

Американский изобретатель Кларенс Бердси разработал процесс «быстрой заморозки» консервирования продуктов питания в 20 веке. ^[9] Этот процесс был разработан американским изобретателем Дэниелом Типпманном ^[10] путем создания вакуума и всасывания холода через паллетированные продукты.

Результаты имеют важное значение в исследованиях по контролю климата . Один из текущих споров заключается в том, происходит ли образование льда у поверхности или внутри микрометровых капель, взвешенных в облаках. Если это первое, то можно будет применить эффективные инженерные подходы для регулировки поверхностного натяжения воды, чтобы можно было контролировать скорость кристаллизации льда. ^[2]

Как замерзает вода [ править ]

Существуют такие явления, как переохлаждение, при котором вода охлаждается ниже точки замерзания, но вода остается жидкой, если имеется слишком мало дефектов для затравки кристаллизации. Таким образом, можно наблюдать задержку до тех пор, пока вода не достигнет новой температуры ниже точки замерзания. ^[5] Переохлажденная жидкая вода должна стать льдом при температуре минус 48 ° C (минус 55 ° F) не только из-за сильного холода, но и из-за того, что молекулярная структура воды изменяется физически, образуя форму тетраэдра, при этом каждая молекула воды слабо связана с четырьмя другими. ^[3] Это говорит о структурном изменении от жидкого до «промежуточного льда». ^[3]Кристаллизация льда из переохлажденной воды обычно инициируется процессом, называемым зародышеобразованием. Из-за скорости и размера зародышеобразования, которое происходит в пределах наносекунд и нанометров. ^[2]

Поверхностная среда не играет решающей роли в образовании льда и снега. ^[11] Колебания плотности внутри капель приводят к тому, что возможные области замерзания покрывают среднюю и поверхностную области. ^[4] Замерзание с поверхности или изнутри может быть случайным. ^[4] Однако в странном мире воды крошечные количества жидкой воды теоретически все еще присутствуют, даже когда температура опускается ниже минус 48 C (минус 55 F), и почти вся вода превратилась в твердую, либо в кристаллический лед, либо в аморфную форму. вода. Ниже -48 ° C (-55 ° F) лед кристаллизуется слишком быстро, чтобы можно было измерить какие-либо свойства оставшейся жидкости. ^[3] Скорость замораживания напрямую влияет на зародышеобразование.процесс и размер кристаллов льда. Переохлажденной жидкости будет находиться в жидком состоянии ниже нормальной точки замерзания , когда он имеет мало возможностей для нуклеации ; то есть, если он достаточно чистый и имеет достаточно гладкую емкость. После взбалтывания он быстро затвердеет. На заключительной стадии замерзания у капли льда появляется заостренный конец, который не наблюдается для большинства других жидкостей, потому что вода расширяется при замерзании. ^[11] Когда жидкость полностью замерзнет, ​​острый кончик капли притягивает водяной пар в воздухе, так же как острый металлический громоотвод притягивает электрические заряды. ^[11] Водяной пар собирается на верхушке, и дерево из мелких кристаллов льда начинает расти. ^[11]Было показано, что противоположный эффект предпочтительно извлекает молекулы воды из острых краев картофельных дольков в духовке. ^[11]

Если микроскопическая капля воды охлаждается очень быстро, она образует так называемое стекло (аморфный лед низкой плотности), в котором все тетраэдры молекул воды не выстроены в линию, а аморфны. ^[3] Изменение структуры воды контролирует скорость образования льда. ^[3] В зависимости от температуры и давления водяной лед имеет 16 различных кристаллических форм, в которых молекулы воды цепляются друг за друга водородными связями. ^[3] Когда вода охлаждается, ее структура становится ближе к структуре льда, поэтому плотность снижается, и это должно отражаться в увеличении скорости кристаллизации, показывая эти кристаллические формы. ^[3]

Связанные количества [ править ]

Для понимания мгновенного замораживания могут быть полезны различные связанные величины.

Рост или зарождение кристаллов - это образование новой термодинамической фазы или новой структуры посредством самосборки. Часто обнаруживается, что нуклеация очень чувствительна к примесям в системе. Для зарождения новой термодинамической фазы, такой как образование льда в воде при температуре ниже 0 ° C, если система не развивается со временем и зарождение происходит за один этап, то вероятность того, что зародышеобразование не произошло, должна подвергаться экспоненциальному спаду. Это также можно наблюдать при зарождении льда в переохлажденных мелких каплях воды. ^[12] Скорость затухания экспоненты дает скорость зародышеобразования и определяется выражением

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

Где

• ${\displaystyle {\displaystyle \Delta G^{*}}}$ - стоимость свободной энергии ядра на вершине зародышевого барьера, kBT - тепловая энергия, где T - абсолютная температура, а kB - постоянная Больцмана.
• ${\displaystyle {\displaystyle N_{S}}}$ количество 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 будет продолжать формировать новую фазу, а не растворяться.

Классическая теория нуклеации - это широко используемая приближенная теория для оценки этих скоростей и того, как они меняются в зависимости от таких переменных, как температура. Он правильно предсказывает, что время, необходимое для зародышеобразования, чрезвычайно быстро уменьшается при перенасыщении. ^{[13] [14]}

Зарождение зародышей можно разделить на гомогенное зародышеобразование и гетерогенное зародышеобразование. Сначала идет гомогенное зародышеобразование, потому что это намного проще. Классическая теория зародышеобразования предполагает, что для микроскопического зародыша новой фазы свободная энергия капли может быть записана как сумма объемного члена, пропорционального объемному 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, если предположить, что ядро ​​сферическое, это объем сферы радиуса . представляет собой разницу в свободной энергии на единицу объема между термодинамической фазой, в которой происходит зародышеобразование, и фазой, в которой происходит зародышеобразование.${\displaystyle {\displaystyle r}}$${\displaystyle {\displaystyle \Delta g}}$

При критическом радиусе зародыша при некотором промежуточном значении свободная энергия проходит через максимум, и поэтому вероятность образования зародыша проходит через минимум. Возникает наименее вероятное ядро, т. Е. Ядро с наибольшим значением, где${\displaystyle {\displaystyle r}}$${\displaystyle {\displaystyle \Delta G}}$

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

Это называется критическим зародышем и происходит при критическом радиусе зародыша.

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

Добавление новых молекул к ядрам, превышающим этот критический радиус, уменьшает свободную энергию, поэтому эти ядра более вероятны.

Гетерогенное зародышеобразование, зародышеобразование с ядром на поверхности, гораздо более распространено, чем гомогенное зародышеобразование. Гетерогенное зародышеобразование обычно происходит намного быстрее, чем гомогенное зародышеобразование, поскольку барьер зародышеобразования на поверхности намного ниже. Это связано с тем, что барьер зародышеобразования происходит от 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 внутри и снаружи криволинейной поверхности между областью газа и областью жидкости. Давление Лапласа определяется из уравнения Юнга – Лапласа, которое имеет вид

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

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

Поверхностное натяжение можно определить как 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.${\displaystyle \gamma ={\frac {W}{\Delta A}}}$

Ссылки [ править ]