Замораживание - это фазовый переход, при котором жидкость превращается в твердое тело, когда ее температура опускается ниже точки замерзания. В соответствии с общепринятым определением, замораживание означает изменение фазы затвердевания жидкости или жидкого содержимого вещества, обычно из-за охлаждения . [1] [2]
Хотя некоторые авторы различают отверждение от замерзания как процесс, при котором жидкость превращается в твердое тело за счет увеличения давления, эти два термина используются как взаимозаменяемые.
Для большинства веществ точки плавления и замерзания совпадают; однако некоторые вещества обладают разными температурами перехода твердое тело – жидкость. Так , например, агар отображает гистерезис в его точке плавления и точки замерзания. Он плавится при 85 ° C (185 ° F) и затвердевает от 32 ° C до 40 ° C (от 89,6 ° F до 104 ° F). [3]
Кристаллизация [ править ]
Большинство жидкостей замерзают в результате кристаллизации , образования твердого кристаллического вещества из однородной жидкости. Это термодинамический фазовый переход первого рода , что 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 является плохой проводник тепла. [ необходима цитата ] Из-за скрытой теплоты плавления , замораживание значительно замедляется, и температура больше не будет падать после начала замораживания, но будет продолжать падать, когда оно закончится. [ необходима цитата ]
Кристаллизация состоит из двух основных событий: зарождения и роста кристаллов . «Зарождение» - 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, которым удается достичь критического размера кластера. Термодинамика замерзания и плавления является классической дисциплиной в физической химии [4], которая в настоящее время развивается вместе с компьютерным моделированием. [5]
Переохлаждение [ править ]
Несмотря на второй закон термодинамики , кристаллизация чистых жидкостей обычно начинается при более низкой температуре , чем точка плавления , из - за высокой энергии активации в гомогенной нуклеации . Создание зародыша подразумевает образование границы раздела на границах новой фазы. Некоторая энергия расходуется на формирование этой границы раздела на основе поверхностной энергиикаждой фазы. Если гипотетическое ядро слишком мало, энергии, которая выделяется при формировании его объема, недостаточно для создания его поверхности, и зарождение 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 вмещающего сосуда, твердых или газообразных примесей, предварительно сформированных твердых кристаллов или других зародышеобразователей может происходить гетерогенное зародышеобразование , когда некоторая энергия выделяется за счет частичного разрушения предыдущей границы раздела, повышая температуру переохлаждения быть близкой к температуре плавления или равной ей. Температура плавления воды при давлении в 1 атмосферу очень близка к 0 ° C (32 ° F, 273,15 K), и в присутствии зародышеобразователейточка замерзания воды близка к температуре плавления, но в отсутствие зародышеобразователей вода может переохлаждаться до -40 ° C (-40 ° F, 233 K) перед замерзанием. [6] [7] Под высоким давлением (2000 атмосфер ) вода будет переохлаждаться до -70 ° C (-94 ° F, 203 K) перед замерзанием. [8]
Экзотермичность [ править ]
Замораживание почти всегда является экзотермическим процессом, а это означает, что когда жидкость превращается в твердую, выделяются тепло и давление. Это часто рассматривается как нелогичное [9], поскольку температура материала не повышается во время замерзания, за исключением случаев, когда жидкость была переохлаждена . Но это можно понять, так как необходимо постоянно отводить тепло от замораживающей жидкости, иначе процесс замораживания остановится. Энергия, выделяющаяся при замерзании, представляет собой скрытую теплоту , известную 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 незначительную отрицательную энтальпию плавления ниже 0,8 К. Это означает, что при соответствующих постоянных давлениях к этим веществам необходимо добавлять тепло. чтобы заморозить их. [11]
Витрификация [ править ]
Некоторые материалы, такие как стекло и глицерин , могут затвердевать без кристаллизации; они называются аморфными твердыми телами . Аморфные материалы, как и некоторые полимеры, не имеют точки замерзания, так как не происходит резкого фазового перехода при любой определенной температуре. Вместо этого происходит постепенное изменение их вязкоупругих свойств в диапазоне температур. Такие материалы характеризуются стеклованием, которое происходит при температуре стеклования., который можно приблизительно определить как точку «изгиба» графика зависимости плотности материала от температуры. Поскольку стеклование - это неравновесный процесс, его нельзя квалифицировать как замораживание, которое требует равновесия между кристаллическим и жидким состояниями.
Расширение [ править ]
Этот раздел требует расширения с помощью: Расширение требует расширения. Вы можете помочь, добавив к нему . ( Май 2020 г. ) |
Некоторые вещества, такие как вода и висмут , расширяются при замораживании.
Замораживание живых организмов [ править ]
Многие живые организмы способны выдерживать длительные периоды времени при температуре ниже точки замерзания воды. Большинство живых организмов накапливают криопротекторы, такие как анти-нуклеирующие белки , полиолы и глюкоза, чтобы защитить себя от повреждений, вызванных морозом острыми кристаллами льда. В частности, большинство растений могут безопасно нагреваться до температуры от -4 ° C до -12 ° C. Некоторые бактерии , особенно Pseudomonas syringae , производят специализированные белки, которые служат в качестве мощных зародышеобразователей льда, которые они используют, чтобы вызвать образование льда на поверхности различных фруктов и растений при температуре около -2 ° C. [12]Замораживание вызывает повреждение эпителия и делает питательные вещества в нижележащих тканях растения доступными для бактерий. [13]
Бактерии [ править ]
По сообщениям, три вида бактерий, Carnobacterium pleistocenium , а также Chryseobacterium greenlandensis и Herminiimonas glaciei , были возрождены после тысячелетнего выживания в замороженном состоянии.
Растения [ править ]
Многие растения проходят процесс, называемый закаливанием , который позволяет им выдерживать температуры ниже 0 ° C от недель до месяцев.
Животные [ править ]
Нематода Haemonchus contortus может выжить в замороженном состоянии при температуре жидкого азота 44 недели . Другие нематоды, которые выживают при температуре ниже 0 ° C, включают Trichostrongylus colubriformis и Panagrolaimus davidi . Многие виды рептилий и амфибий переживают заморозки. См. Криобиологию для полного обсуждения.
Человеческие гаметы и 2-, 4- и 8-клеточные эмбрионы могут выжить при замораживании и сохраняют жизнеспособность до 10 лет. Этот процесс известен как криоконсервация .
Экспериментальные попытки заморозить людей для последующего возрождения известны как крионика .
Консервация продуктов [ править ]
Замораживание - это распространенный метод сохранения продуктов, который замедляет как разложение продуктов, так и рост микроорганизмов . Помимо влияния низких температур на скорость реакции , замораживание делает воду менее доступной для роста бактерий .
См. Также [ править ]
- Степень мороза
- Мгновенное замораживание
- Фракционная заморозка
- Мороз
- Микро-вытягивание вниз
- Эффект Мпемба
- Фазовая диаграмма
Таблица [ править ]
 | К | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Твердый | Жидкость | Газ | Плазма | ||
| Из | Твердый | Плавление | Сублимация | ||
| Жидкость | Замораживание | Испарение | |||
| Газ | Отложение | Конденсация | Ионизация | ||
| Плазма | Рекомбинация | ||||
Ссылки [ править ]
- ^ Международный словарь по охлаждению, http://dictionary.iifiir.org/search.php
- ^ Терминология ASHRAE, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology
- ^ «Все об агаре» . Sciencebuddies.org. Архивировано из оригинала на 2011-06-03 . Проверено 27 апреля 2011 .
- ^ Atkins PW (2017). Элементы физической химии . ISBN 978-0-19-879670-1. OCLC 982685277 .
- ^ Педерсен UR, Costigliola L, Bailey NP Шрёдер TB, Dyre JC (август 2016). «Термодинамика замерзания и плавления» . Nature Communications . 7 (1): 12386. Bibcode : 2016NatCo ... 712386P . DOI : 10.1038 / ncomms12386 . PMC 4992064 . PMID 27530064 .
- ^ Lundheim R (июль 2002). «Физиологическое и экологическое значение биологических нуклеаторов льда» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия B, Биологические науки . 357 (1423): 937–43. DOI : 10.1098 / rstb.2002.1082 . PMC 1693005 . PMID 12171657 .
- ↑ Franks F (март 2003 г.). «Зарождение льда и управление им в экосистемах» ( PDF ) . Философские труды. Серия A, математические, физические и технические науки . 361 (1804): 557–74, обсуждение 574. Bibcode : 2003RSPTA.361..557F . DOI : 10,1098 / rsta.2002.1141 . PMID 12662454 . S2CID 25606767 .
- ^ Джеффри Калифорния, Остин PH (ноябрь 1997 г.). «Гомогенное зародышеобразование переохлажденной воды: результаты нового уравнения состояния». Журнал геофизических исследований . 102 (D21): 25269–25280. Bibcode : 1997JGR ... 10225269J . CiteSeerX 10.1.1.9.3236 . DOI : 10.1029 / 97JD02243 .
- ^ Что такое экзотермическая реакция? Scientific American , 1999 г.
- Перейти ↑ Atkins P, Jones L (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4-е изд.), WH Freeman and Company, p. 236, ISBN 978-0-7167-7355-9
- ^ Отт JB, Boerio-козлы J (2000). Химическая термодинамика: современные приложения . Академическая пресса. С. 92–93. ISBN 0-12-530985-6.
- ↑ Maki LR, Galyan EL, Chang-Chien MM, Caldwell DR (сентябрь 1974 г.). «Зарождение льда, вызванное pseudomonas syringae» . Прикладная микробиология . 28 (3): 456–9. DOI : 10.1128 / aem.28.3.456-459.1974 . PMC 186742 . PMID 4371331 .
- Перейти ↑ Zachariassen KE, Kristiansen E (декабрь 2000 г.). «Зарождение льда и антинуклеация в природе». Криобиология . 41 (4): 257–79. DOI : 10,1006 / cryo.2000.2289 . PMID 11222024 .
Внешние ссылки [ править ]
 | Поищите информацию о замораживании в Викисловаре, бесплатном словаре. |
- СМИ, связанные с замораживанием на Викискладе?
- Видео затвердевания / замораживания интерметаллида
