Замораживание

Замораживание - это фазовый переход, при котором жидкость превращается в твердое тело, когда ее температура опускается ниже точки замерзания. В соответствии с принятым на международном уровне определением, замораживание означает изменение фазы затвердевания жидкости или жидкого содержимого вещества, обычно из-за охлаждения . [1] [2]

Вода капает со льда и замерзает, образуя сосульки .

Хотя некоторые авторы отличают затвердевание 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]

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, плохой проводник тепла. [ необходима цитата ] Из-за скрытой теплоты плавления , замораживание значительно замедляется, и температура больше не будет падать после начала замораживания, но продолжит падать, когда оно закончится. [ необходима цитата ]

Кристаллизация состоит из двух основных событий: зародышеобразования 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 - это классическая дисциплина физической химии [4], которая в настоящее время развивается вместе с компьютерным моделированием. [5]

"> File:SuperCool 2009-01-02.ogvВоспроизвести медиа
Быстрое образование кристаллов льда в переохлажденной воде (эксперимент в домашней морозильной камере)

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 предполагает образование границы раздела на границах новой фазы. Некоторая энергия расходуется на формирование этой границы раздела в зависимости от поверхностной энергии каждой 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 , при котором некоторая энергия выделяется в результате 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), а в присутствии зародышеобразователей точка замерзания воды близка к температуре плавления, но в отсутствие Вода нуклеаторов может переохлаждаться до -40 ° C (-40 ° F; 233 K) перед замораживанием. [6] [7] Под высоким давлением (2000 атмосфер ) вода переохлаждется до −70 ° C (−94 ° F; 203 K) перед замерзанием. [8]

Замораживание почти всегда является экзотермическим процессом, а это означает, что когда жидкость превращается в твердую, выделяются тепло и давление. Это часто кажется нелогичным [9], поскольку температура материала не повышается во время замерзания, за исключением случаев, когда жидкость была переохлаждена . Но это можно понять, поскольку необходимо постоянно отводить тепло от замораживающей жидкости, иначе процесс замораживания остановится. Энергия, выделяющаяся при замерзании, представляет собой скрытую теплоту , известную как энтальпия плавления, и в точности совпадает с энергией, необходимой 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 их заморозить. [11]

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 , которую можно приблизительно определить как «точку перегиба» на графике зависимости плотности материала от температуры. Поскольку стеклование - это неравновесный процесс, его нельзя квалифицировать как замораживание, которое требует равновесия между кристаллическим и жидким состояниями.

Некоторые вещества, такие как вода и висмут , при замораживании расширяются.

Многие живые организмы способны выдерживать длительные периоды времени при температурах ниже точки замерзания воды. Большинство живых организмов накапливают криопротекторы, такие как протеины , препятствующие образованию зародышей , полиолы и глюкозу, чтобы защитить себя от повреждений от мороза 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 мощными зародышеобразователями льда, которые они используют для образования 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

По сообщениям, три вида бактерий, Carnobacterium pleistocenium , а также Chryseobacterium greenlandensis и Herminiimonas glaciei , были возрождены после тысячелетнего выживания в замороженном состоянии.

Растения

Многие растения подвергаются процессу закаливания , который позволяет им выдерживать температуры ниже 0 ° C от недель до месяцев.

Животные

Нематода Haemonchus contortus может выжить в замороженном состоянии при температуре жидкого азота 44 недели . Другие нематоды, которые выживают при температурах ниже 0 ° C, включают Trichostrongylus colubriformis и Panagrolaimus davidi . Многие виды рептилий и земноводных 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 .

Замораживание - это распространенный метод хранения 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 . замораживание - один из старейших и наиболее широко используемых методов консервирования продуктов питания еще в 1842 году, замораживание широко использовалось для льда и солевого раствора. При замораживании вкус, запах и питательная ценность в большинстве случаев остаются неизменными. Промышленное применение заморозки стало после появления (внедрения) механического охлаждения. Замораживание успешно применяется для длительного хранения многих пищевых продуктов, обеспечивая значительно увеличенный срок хранения. Консервирование замораживанием обычно считается лучшим по сравнению с консервированием и обезвоживанием в отношении сохранения сенсорных свойств и питательных свойств.

  • Степень мороза
  • Мгновенное замораживание
  • Фракционная заморозка
  • Температура замерзающего воздуха
  • Мороз
  • Микро-вытягивание вниз
  • Эффект Мпемба
  • Фазовая диаграмма

Фазовые переходы вещества (
  • v
  • т
  • е
)
basicК
Твердый Жидкость Газ Плазма
Из Твердый Плавление Сублимация
Жидкость Замораживание Испарение
Газ Осаждение Конденсация Ионизация
Плазма Рекомбинация

  1. ^ Международный словарь по холоду, http://dictionary.iifiir.org/search.php
  2. ^ Терминология ASHRAE, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology
  3. ^ «Все об агаре» . Sciencebuddies.org. Архивировано из оригинала на 2011-06-03 . Проверено 27 апреля 2011 .
  4. ^ Аткинс П. У. (2017). Элементы физической химии . ISBN 978-0-19-879670-1. OCLC  982685277 .
  5. ^ Педерсен У. Р., Костильола Л., Бейли Н. П., Шредер Т. Б., Дайр Дж. К. (август 2016 г.). «Термодинамика замерзания и плавления» . Nature Communications . 7 (1): 12386. Bibcode : 2016NatCo ... 712386P . DOI : 10.1038 / ncomms12386 . PMC  4992064 . PMID  27530064 .
  6. ^ Lundheim R (июль 2002 г.). «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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ Что такое экзотермическая реакция? Scientific American , 1999 г.
  10. ^ Аткинс П., Джонс Л. (2008), Химические принципы: поиски понимания (4-е изд.), WH Freeman and Company, p. 236, ISBN 978-0-7167-7355-9
  11. ^ Отт JB, Boerio-Goates J (2000). Химическая термодинамика: современные приложения . Академическая пресса. С. 92–93. ISBN 0-12-530985-6.
  12. ^ Маки Л.Р., Галян Е.Л., Чанг-Чиен М.М., Колдуэлл Д.Р. (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 .
  13. ^ Захариассен К.Е., Кристиансен Э. (декабрь 2000 г.). «Зарождение льда и антинуклеация в природе». Криобиология . 41 (4): 257–79. DOI : 10,1006 / cryo.2000.2289 . PMID  11222024 .

  • СМИ, связанные с замораживанием, на Викискладе?
  • Видео затвердевания / замораживания интерметаллида