Замораживание
Замерзание – это фазовый переход , при котором жидкость превращается в твердое вещество , когда ее температура понижается ниже точки замерзания . В соответствии с международным определением замораживание означает изменение фазы затвердевания жидкости или жидкого содержимого вещества, обычно вследствие охлаждения . [1] [2]
Для большинства веществ температуры плавления и замерзания совпадают; однако некоторые вещества обладают разными температурами перехода твердого тела в жидкое. Например, агар имеет 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 путем кристаллизации, образования кристаллического твердого вещества из однородной жидкости. Это термодинамический фазовый переход первого рода , означающий, что, пока твердое тело и жидкость сосуществуют, температура всей системы остается почти равной температуре плавления из -за медленного отвода тепла при контакте с воздухом. плохой теплопроводник. [ 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 ссылка ]
Кристаллизация состоит из двух основных событий: зарождения и роста кристаллов . «Зародышеобразование» — это этап, на котором молекулы начинают собираться в кластеры в нанометровом масштабе, располагаясь определенным и периодическим образом, что определяет кристаллическую структуру . «Кристаллический рост» — это последующий рост зародышей, которым удалось достичь критического размера кластера. Термодинамика замерзания и плавления является классической дисциплиной в рамках физической химии [4] , которая в настоящее время развивается в сочетании с компьютерным моделированием. [5]
Вопреки второму началу термодинамики , кристаллизация чистых жидкостей обычно начинается при более низкой температуре, чем температура плавления , из-за высокой энергии активации гомогенного зародышеобразования . Создание зародыша подразумевает образование интерфейса на границах новой фазы. Некоторая энергия затрачивается на формирование этой границы раздела, основанная на поверхностной энергии.каждой фазы. Если гипотетическое ядро слишком маленькое, то энергии, которая высвобождается при формировании его объема, недостаточно для создания его поверхности, и зародышеобразование не происходит. Замораживание 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 происходить гетерогенное зародышеобразование , при котором высвобождается некоторая энергия за счет частичного разрушения предыдущей границы раздела, повышая температуру переохлаждения. быть близкой или равной температуре плавления. Температура плавления воды при давлении в 1 атмосферу очень близка к 0 ° C (32 ° F, 273,15 K), а в присутствии зародышеобразователейточка замерзания воды близка к точке плавления, но в отсутствие зародышеобразователей вода может переохладиться до -40 ° C (-40 ° F; 233 K) перед замерзанием. [6] [7] Под высоким давлением (2000 атмосфер ) вода перед замерзанием переохлаждается до -70 °C (-94 °F; 203 K). [8]
Замораживание почти всегда является экзотермическим процессом, а это означает, что при переходе жидкости в твердое состояние высвобождаются тепло и давление. Это часто рассматривается как противоречащее здравому смыслу, [9] поскольку температура материала не повышается во время замораживания, за исключением случаев, когда жидкость была переохлаждена . Но это можно понять, так как тепло должно постоянно отводиться от замерзающей жидкости, иначе процесс замерзания прекратится. 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.
