Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Supercooled )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Переохлажденная вода, еще в жидком состоянии.
Начало затвердевания в результате выхода из состояния покоя.
Не следует путать с сверхтекучестью или переохлаждением .

Переохлаждение , [1] , также известная как переохлаждение , [2] представляет собой процесс понижения температуры жидкости или в газе ниже точек замерзания без него становится твердым . Это достигается при отсутствии затравочного кристалла или ядра, вокруг которого может формироваться кристаллическая структура. Переохлаждение воды может быть достигнуто без каких-либо специальных методов, кроме химической деминерализации, до -48,3 ° C (-55 ° F). Капли переохлажденной воды часто присутствуют в слоистых и кучевых облаках . самолет пролетая через такое облако, происходит резкая кристаллизация этих капель, что может привести к образованию льда на крыльях самолета или блокировке его инструментов и датчиков.

Животные используют переохлаждение, чтобы выжить при экстремальных температурах, только в крайнем случае. Существует множество методов, которые помогают поддерживать жидкое состояние, например, производство белков-антифризов , которые связываются с кристаллами льда, чтобы предотвратить связывание молекул воды и распространение льда. [3] зимой камбала является одной из таких рыб , которые используют эти белки , чтобы выжить в холодной среде. У растений клеточные барьеры, такие как лигнин , суберин и кутикула, подавляют образование зародышей льда и заставляют воду проникать в переохлажденные ткани.

Одно из коммерческих применений переохлаждения - охлаждение . Морозильные камеры могут охладить напитки до переохлажденного уровня, поэтому при открытии они образуют слякоть . Переохлаждение также успешно применялось для сохранения органов в Массачусетской больнице общего профиля / Гарвардской медицинской школе . Печень, которую позже пересаживали животным-реципиентам, сохраняли переохлаждением до 96 часов (4 дней), что в четыре раза превышало пределы того, что можно было достичь с помощью обычных методов сохранения печени.

Объяснение [ править ]

Жидкость, пересекающая стандартную точку замерзания, будет кристаллизоваться в присутствии затравочного кристалла или ядра, вокруг которого может образоваться кристаллическая структура, образуя твердое тело. В отсутствие таких зародышей жидкая фаза может поддерживаться вплоть до температуры, при которой происходит гомогенное зародышеобразование кристаллов . [4]

Гомогенное зародышеобразование может происходить выше температуры стеклования , но если гомогенное зародышеобразование не происходит выше этой температуры, образуется аморфное (некристаллическое) твердое вещество.

Вода обычно замерзает при температуре 273,15  К (0 ° C или 32 ° F), но ее можно «переохлаждать» при стандартном давлении до кристаллической гомогенной нуклеации почти при 224,8 К (-48,3 ° C / -55 ° F). [5] [6] Процесс переохлаждения требует, чтобы вода была чистой и без центров зародышеобразования , что может быть достигнуто с помощью таких процессов, как обратный осмос или химическая деминерализация , но само охлаждение не требует каких-либо специальных методов. Если воду охладить со скоростью порядка 10 6  К / с, зародышеобразования кристаллов можно избежать, и вода станет стеклом.- то есть аморфное (некристаллическое) твердое вещество. Его температура стеклования намного ниже и ее сложнее определить, но исследования оценивают ее примерно в 136 К (-137 ° C / -215 ° F). [7] Стекловидная вода может быть нагрета примерно до 150 К (-123 ° C / -189,4 ° F) без образования зародышей. [6] В диапазоне температур от 231 K (-42 ° C / -43,6 ° F) до 150 K (-123 ° C / -189,4 ° F) эксперименты обнаружили только кристаллический лед.

Капли переохлажденной воды часто присутствуют в слоистых и кучевых облаках . На летательном аппарате, пролетающем через такое облако, происходит резкая кристаллизация этих капель, что может привести к образованию льда на крыльях самолета или блокировке его инструментов и датчиков, если самолет не оборудован соответствующей системой защиты от обледенения . Ледяной дождь также вызывается переохлажденными каплями.

Процесс, противоположный переохлаждению, т.е. плавление твердого вещества выше точки замерзания, намного сложнее, и твердое тело почти всегда будет плавиться при одной и той же температуре при заданном давлении . По этой причине температуру плавления обычно определяют с помощью прибора для определения точки плавления ; даже когда предметом статьи является «определение точки замерзания», фактическая методология - «принцип наблюдения за исчезновением, а не за образованием льда». [8] При заданном давлении можно перегреть жидкость выше точки кипения, не превращая ее в газ.

Переохлаждение часто путают с понижением точки замерзания . Переохлаждение - это охлаждение жидкости ниже точки замерзания без превращения ее в твердое тело. Понижение точки замерзания - это когда раствор может быть охлажден ниже точки замерзания соответствующей чистой жидкости из-за присутствия растворенного вещества ; Примером этого является понижение точки замерзания, возникающее при добавлении соли в чистую воду.

Конституционное переохлаждение [ править ]

Конституциональное переохлаждение - фазовая диаграмма, концентрация и температура

Конституциональное переохлаждение, которое происходит во время затвердевания, происходит из-за изменений состава твердого вещества и приводит к охлаждению жидкости ниже точки замерзания перед границей раздела твердое тело-жидкость . При затвердевании жидкости граница раздела часто бывает нестабильной, и скорость границы раздела твердое тело-жидкость должна быть небольшой, чтобы избежать конституционного переохлаждения.

Зоны переохлаждения наблюдаются, когда градиент температуры ликвидуса на границе раздела больше, чем градиент температуры.

или же

Наклон границы ликвидуса на фазовой диаграмме равен

Градиент концентрации связан с точками, а на фазовой диаграмме:

Для стационарного роста и статистическую сумму можно считать постоянной. Следовательно, минимальный температурный градиент, необходимый для создания устойчивого твердого фронта, указан ниже.

Для получения дополнительной информации см. Уравнение (3) в [9].

У животных [ править ]

Чтобы выжить при экстремально низких температурах в определенных средах, некоторые животные используют явление переохлаждения, которое позволяет им оставаться незамороженными и избегать повреждения клеток и гибели. Существует множество методов, которые помогают поддерживать жидкое состояние, например, производство белков-антифризов или AFP, которые связываются с кристаллами льда, чтобы предотвратить связывание молекул воды и распространение льда. [3] зимой камбала является одной из таких рыб , которые используют эти белки , чтобы выжить в холодной среде. Неколлигативные белки секретируются печенью в кровоток. [10]Другие животные используют коллигативные антифризы, которые увеличивают концентрацию растворенных веществ в их телесных жидкостях, тем самым снижая их точку замерзания. Рыбы, которые зависят от переохлаждения для выживания, также должны жить глубоко под поверхностью воды, потому что, если они вступят в контакт с ядрами льда, они немедленно замерзнут. Животные, которые подвергаются переохлаждению, чтобы выжить, должны также удалять из своего тела агенты, образующие зародыши льда, потому что они действуют как отправная точка для замораживания. Переохлаждение также является обычным явлением для некоторых насекомых, рептилий и других видов эктотерм . Личинка картофельной цистовой нематоды ( Globodera rostochiensis ) могла выжить внутри своих цист в переохлажденном состоянии до температур до -38 ° C (-36 ° F), даже если циста была покрыта льдом.

Переохлаждение - последнее средство для животных. Лучший вариант - по возможности переехать в более теплую среду. По мере того, как животное становится все дальше и дальше от исходной точки замерзания, вероятность самопроизвольного замерзания его внутренних жидкостей резко возрастает, поскольку это термодинамически нестабильное состояние. Жидкости в конечном итоге достигают точки переохлаждения, то есть температуры, при которой переохлажденный раствор самопроизвольно замерзает из-за того, что он намного ниже его нормальной точки замерзания. [11] Животные непреднамеренно переохлаждены и могут снизить вероятность замерзания только после переохлаждения. Несмотря на то, что переохлаждение необходимо для выживания, с ним связано множество рисков.

В растениях [ править ]

Растения также могут выжить в условиях экстремального холода в зимние месяцы. Многие виды растений, обитающие в северном климате, могут акклиматизироваться в этих холодных условиях за счет переохлаждения, таким образом, эти растения выживают при температурах до -40 ° C. Хотя это явление переохлаждения плохо изучено, оно было обнаружено с помощью инфракрасной термографии . Зарождение льда происходит в определенных органах и тканях растения, спорно начиная с ткани ксилемы и распространяясь по остальной части растения. [12] [13] Инфракрасная термография позволяет визуализировать капли воды, когда они кристаллизуются во внеклеточном пространстве. [14]

Переохлаждение препятствует образованию льда в ткани за счет зарождения льда и позволяет клеткам поддерживать воду в жидком состоянии, а также позволяет воде внутри клетки оставаться отдельно от внеклеточного льда. [14] Клеточные барьеры, такие как лигнин , суберин и кутикула, препятствуют образованию зародышей льда и заставляют воду проникать в переохлажденные ткани. [15] Ксилема и первичная ткань растений очень чувствительны к холоду из-за большого количества воды в клетке. Многие бореальные породы древесины лиственных пород в северном климате обладают способностью предотвращать распространение льда на побеги, позволяя растениям переносить холода. [16] В вечнозеленых кустарниках обнаружено переохлаждение.Rhododendron ferrugineum и Vaccinium vitis-idaea, а такжевиды Abies , Picea и Larix . [16] Замораживание вне клетки и внутри клеточной стенки не влияет на выживание растения. [17] Однако внеклеточный лед может привести к обезвоживанию растений. [13]

В морской воде [ править ]

Присутствие соли в морской воде влияет на температуру замерзания. По этой причине морская вода может оставаться в жидком состоянии при температурах ниже точки замерзания. Это «псевдопереохлаждение», потому что это явление является результатом понижения точки замерзания, вызванного присутствием соли, а не переохлаждением. Это состояние чаще всего наблюдается в океанах вокруг Антарктиды, где таяние нижней поверхности шельфовых ледников под высоким давлением приводит к образованию жидкой талой воды, температура которой может быть ниже точки замерзания. Предполагается, что вода не замерзает сразу из-за отсутствия центров зародышеобразования. [18]Это создает проблемы для океанографических приборов, поскольку кристаллы льда могут легко образовываться на оборудовании, что может повлиять на качество данных. [19] В конечном итоге наличие чрезвычайно холодной морской воды повлияет на рост морского льда .

В космическом полете [ править ]

В космических полетах этот термин используется несколько иначе. Здесь это относится к криогенному топливу или окислителям, которые охлаждаются значительно ниже их точки кипения (но не ниже точки плавления ). [20] Это приводит к более высокой плотности топлива и, следовательно, большей емкости топливных баков без увеличения их веса. В то же время потери на испарение снижаются.

SpaceX «s Falcon 9 ракеты использует переохлаждение для его окислителя. [21]

Термин суперохлаждение также используется для этой техники.

Приложения [ править ]

Одно из коммерческих применений переохлаждения - охлаждение . Морозильные камеры могут охладить напитки до уровня переохлаждения [22], так что при открытии они образуют слякоть . Другой пример - продукт, который может переохлаждать напиток в обычной морозильной камере. [23] Компания Coca-Cola в течение короткого времени продавала специальные торговые автоматы со Sprite в Великобритании и Coke в Сингапуре, в которых бутылки хранятся в переохлажденном состоянии, так что их содержимое превращается в слякоть при открытии. [24]

Переохлаждение успешно применялось для сохранения органов в Массачусетской больнице общего профиля / Гарвардской медицинской школе . Печень, которую позже пересаживали животным-реципиентам, сохраняли переохлаждением до 96 часов (4 дней), что в четыре раза превышало пределы того, что можно было достичь с помощью обычных методов сохранения печени. Печень переохлаждена до температуры –6 ° C в специальном растворе, защищающем от замерзания и травм от холода. [25]

Еще одно возможное применение - доставка лекарств. В 2015 году исследователи кристаллизовали мембраны в определенное время. Инкапсулированные в жидкость лекарства могут быть доставлены к месту, и при небольшом изменении окружающей среды жидкость быстро превращается в кристаллическую форму, которая высвобождает лекарство. [26]

В 2016 году команда из Университета штата Айова предложила метод «пайки без нагрева» с использованием инкапсулированных капель переохлажденного жидкого металла для ремонта термочувствительных электронных устройств. [27] [28] В 2019 году та же команда продемонстрировала использование недостаточно охлажденного металла для печати твердых металлических межсоединений на поверхностях от полярных (бумага и желе) до супергидрофобных (лепестки роз), причем все поверхности имеют более низкий модуль упругости, чем металл. . [29] [30]

Eftekhari et al. предложил эмпирическую теорию, объясняющую, что переохлаждение ионных жидких кристаллов может создавать упорядоченные каналы для диффузии для приложений хранения энергии. В этом случае электролит имеет жесткую структуру, сравнимую со структурой твердого электролита, но коэффициент диффузии может быть таким же большим, как у жидких электролитов. Переохлаждение увеличивает вязкость среды, но сохраняет направленные каналы открытыми для диффузии. [31]

См. Также [ править ]

  • Аморфное твердое тело
  • Технология перекачивания льда
  • Переохлаждение
  • Ультрахолодный атом
  • Вязкая жидкость
  • Ледяной дождь

Ссылки [ править ]

  1. ↑ О. Гомес, Габриэль; Стэнли, Х. Юджин; Соуза, Мариано де (2019-08-19). «Улучшенный параметр Грюнайзена в переохлажденной воде» . Научные отчеты . 9 (1): 12006. arXiv : 1808.00536 . Bibcode : 2019NatSR ... 912006O . DOI : 10.1038 / s41598-019-48353-4 . ISSN  2045-2322 . PMC  6700159 . PMID  31427698 .
  2. ^ Ратц, Том. «Переохлаждение» . НАСА . Архивировано из оригинала на 2009-12-02 . Проверено 12 января 2010 . Cite journal requires |journal= (help)
  3. ^ а б Дж. Думан (2001). «Антифриз и белки-нуклеаторы льда у наземных членистоногих». Ежегодный обзор физиологии . 63 : 327–357. DOI : 10.1146 / annurev.physiol.63.1.327 . PMID 11181959 . 
  4. ^ «Вода замерзает почти мгновенно при встряхивании бутылки, которая ночует на улице морозной ночью» . 2021-04-07 . Проверено 8 апреля 2021 .
  5. ^ Мур, Эмили; Валерия Молинеро (24 ноября 2011 г.). «структурные преобразования в переохлажденной воде контролируют скорость кристаллизации льда». Природа . 479 (7374): 506–508. arXiv : 1107,1622 . Bibcode : 2011Natur.479..506M . DOI : 10,1038 / природа10586 . PMID 22113691 . S2CID 1784703 .  
  6. ^ а б Дебенедетти, PG; Стэнли, HE (2003). «Переохлажденная и стекловидная вода» (PDF) . Физика сегодня . 56 (6): 40–46 [стр. 42]. Bibcode : 2003PhT .... 56f..40D . DOI : 10.1063 / 1.1595053 .
  7. Перейти ↑ Angell, C. Austen (2008). «Понимание фаз жидкой воды на основе изучения ее необычных стеклообразующих свойств». Наука . 319 (5863): 582–587. DOI : 10.1126 / science.1131939 . PMID 18239117 . S2CID 9860383 .  
  8. Перейти ↑ Ramsay, JA (1949). «Новый метод определения точки замерзания малых количеств» (PDF) . J. Exp. Биол. 26 (1): 57–64. PMID 15406812 .  
  9. ^ страница из 99 ~ 100 Архивировано 29 июля 2013 г., в Wayback Machine
  10. ^ Гарт Л. Флетчер; Чой Л. Хью и Питер Л. Дэвис (2001). «Антифризные белки костистых рыб». Ежегодный обзор физиологии . 63 : 359–390. DOI : 10.1146 / annurev.physiol.63.1.359 . PMID 11181960 . 
  11. ^ CH Lowe; П. Дж. Ларднер и Э. А. Халперн (1971). «Переохлаждение у рептилий и других позвоночных». Сравнительная биохимия и физиология . 39А (1): 125–135. DOI : 10.1016 / 0300-9629 (71) 90352-5 . PMID 4399229 . 
  12. Перейти ↑ Wisniewski, M (1997). «Наблюдения за образованием и размножением льда в растениях с помощью инфракрасной термографии» . Физиология растений . 113 (2): 327–334. DOI : 10.1104 / pp.113.2.327 . PMC 158146 . PMID 12223611 .  
  13. ^ а б Пирс, Р. (2001). «Замораживание и повреждение растений» (PDF) . Летопись ботаники . 87 (4): 417–424. DOI : 10,1006 / anbo.2000.1352 . Проверено 11 декабря +2016 .
  14. ^ а б Вишневски, М (2004). «Зарождение льда, размножение и глубокое переохлаждение древесных растений». Журнал улучшения сельскохозяйственных культур . 10 (1–2): 5–16. DOI : 10.1300 / j411v10n01_02 . S2CID 5362785 . 
  15. ^ Куприян, E (2016). «Устойчивое переохлаждение репродуктивных побегов обеспечивается за счет активности структурных ледяных барьеров, несмотря на неповрежденную связь ксилемы» . PLOS ONE . 11 (9): e0163160. Bibcode : 2016PLoSO..1163160K . DOI : 10.1371 / journal.pone.0163160 . PMC 5025027 . PMID 27632365 .  
  16. ^ a b Нойнер, Гилберт (2014). «Морозостойкость альпийских древесных растений» . Фронтальный завод им . 5 : 654. DOI : 10.3389 / fpls.2014.00654 . PMC 4249714 . PMID 25520725 .  
  17. Перейти ↑ Burke, M (1976). «Замораживание и травмы растений». Ежегодный обзор физиологии растений . 27 : 507–528. DOI : 10.1146 / annurev.pp.27.060176.002451 .
  18. ^ Hoppmann, М., Рихтер, ME, Smith, IJ, Jendersie, S., Лангхорн, PJ, Томас, DN и Дикман, GS, 2020. тромбоциты лед, скрытый лед Южного океана: обзор. Анналы гляциологии, стр. 1-28. https://doi.org/10.1017/aog.2020.54
  19. ^ Робинсон, Нью-Джерси, Грант, Б.С., Стивенс, К.Л., Стюарт, К.Л. и Уильямс, М.Дж.М., 2020. Океанографические наблюдения в переохлажденной воде: протоколы для уменьшения ошибок измерения при профилировании и заякоренном отборе проб. Наука и технологии холодных регионов, 170, стр.102954. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2019.102954
  20. ^ "Лучшее уплотнение криогенного жидкого ракетного топлива" .
  21. ^ "Причина, по которой SpaceX продолжает прерывать запуски", - это "супер холодок" .
  22. ↑ Холодильная камера. Архивировано 1 марта 2009 г., в Wayback Machine.
  23. ^ Slush-It! Архивировано 23 января 2010 года в Wayback Machine.
  24. ↑ Чарли Соррел (21 сентября 2007). «Кока-Кола планирует высокие технологии, супер крутой спрайт» . Проводной . Condé Nast . Проверено 5 декабря 2013 .
  25. ^ Берендсен, TA; Bruinsma, BG; Путс, CF; Saeidi, N; Уста, ОБ; Уйгун, BE; Изамис, Мария-Луиза; Тонер, Мехмет; Ярмуш, Мартин Л; Уйгун, Коркут (2014). «Переохлаждение обеспечивает долгосрочную выживаемость трансплантации после 4 дней хранения печени» . Природная медицина . 20 (7): 790–793. DOI : 10.1038 / nm.3588 . PMC 4141719 . PMID 24973919 .  
  26. ^ Хунка, Джордж (2015-05-06). «Супер классный способ доставки наркотиков» . НИОКР.
  27. ^ Митч Джейкоби (2016-03-14). «Пайка без нагрева» . Новости химии и техники . Проверено 14 марта 2016 .
  28. ^ Simge Чинар, Ян Д. Tevis, Jiahao Chen & Martin Thuo (2016-02-23). «Механическое разрушение недоохлажденных металлических частиц сердечник-оболочка для пайки без нагрева» . Природа . Проверено 14 марта 2016 .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  29. ^ Митч Джейкоби (2019-07-23). «Безнагреваемый метод позволяет получить печатные металлические соединения» . Новости химии и техники . Проверено 24 июля 2019 .
  30. ^ Эндрю Мартин; Бойс С. Чанг; Захари Мартин; Дипарк Параманик; Кристоф Франкевич; Сувик Кунду; Ян Тевис; Мартин Туо (15.07.2019). «Изготовление металлических межсоединений без нагрева для гибких / носимых устройств». Современные функциональные материалы . 29 (40): 1903687. DOI : 10.1002 / adfm.201903687 .
  31. ^ Эфтехари, А; Лю, Y; Чен, П. (2016). «Различные роли ионных жидкостей в литиевых батареях». Журнал источников энергии . 334 : 221–239. Bibcode : 2016JPS ... 334..221E . DOI : 10.1016 / j.jpowsour.2016.10.025 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Giovambattista, N .; Энджелл, Калифорния; Sciortino, F .; Стэнли, HE (июль 2004 г.). "Температура стеклования воды: исследование с помощью моделирования" (PDF) . Письма с физическим обзором . 93 (4): 047801. arXiv : cond-mat / 0403133 . Bibcode : 2004PhRvL..93d7801G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.93.047801 . PMID  15323794 . S2CID  8311857 .
  • Роджерсон, Массачусетс; Кардосо, SSS (апрель 2004 г.). «Затвердевание в тепловых пакетах: III. Металлический спусковой механизм» . Журнал Айше . 49 (2): 522–529. DOI : 10.1002 / aic.690490222 .[ мертвая ссылка ]

Внешние ссылки [ править ]

  • Переохлажденная вода и кокс на YouTube
  • Переохлажденная вода на YouTube
  • Суперохлажденная вода №2 на YouTube
  • Эксперименты по зарождению ядер переохлажденной воды на YouTube
  • Переохлажденные жидкости на arxiv.org
  • Подкаст Radiolab о переохлаждении