Zamrażanie - Freezing

Woda kapie z kawałka lodu, a następnie zamarza, tworząc sople .

Zamrażanie to przejście fazowe, w którym ciecz zamienia się w ciało stałe, gdy jej temperatura spada poniżej punktu zamarzania. Zgodnie z przyjętą międzynarodowo definicją zamrażanie oznacza zmianę fazy krzepnięcia cieczy lub zawartości cieczy w substancji, zwykle spowodowaną chłodzeniem .

Chociaż niektórzy autorzy rozróżniają krzepnięcie od zamrażania jako proces, w którym ciecz zamienia się w ciało stałe poprzez zwiększenie ciśnienia, te dwa terminy są używane zamiennie.

W przypadku większości substancji temperatury topnienia i zamarzania mają tę samą temperaturę; jednak niektóre substancje mają różne temperatury przejścia ciało stałe-ciecz. Na przykład, agar wykazuje histerezę w swojej temperaturze topnienia i temperaturze zamarzania. Topi się w temperaturze 85 ° C (185 ° F) i krzepnie od 32 ° C do 40 ° C (89,6 ° F do 104 ° F).

Krystalizacja

Większość cieczy zamarza przez krystalizację , tworząc krystaliczną substancję stałą z jednorodnej cieczy. Jest to termodynamiczne przejście fazowe pierwszego rzędu , co oznacza, że ​​dopóki współistnieją ciała stałe i ciecz, temperatura całego układu pozostaje prawie równa temperaturze topnienia ze względu na powolne odprowadzanie ciepła w kontakcie z powietrzem, co jest słaby przewodnik ciepła. Ze względu na utajone ciepło topnienia zamrażanie jest znacznie spowolnione, a temperatura nie będzie już spadać po rozpoczęciu zamrażania, ale będzie spadać po jego zakończeniu.

Krystalizacja składa się z dwóch głównych zdarzeń, zarodkowania i wzrostu kryształów . „Zarodkowanie” to etap, w którym cząsteczki zaczynają gromadzić się w klastry w skali nanometrycznej , układając się w określony i okresowy sposób, który określa strukturę krystaliczną . „Wzrost kryształów” to dalszy wzrost jąder, którym udaje się osiągnąć krytyczny rozmiar klastra. Termodynamika zamrażania i topnienia to klasyczna dyscyplina chemii fizycznej, która obecnie rozwija się w połączeniu z symulacjami komputerowymi.

Przechłodzenie

Odtwórz multimedia

Szybkie tworzenie się kryształków lodu w superchłodnej wodzie (eksperyment z zamrażarką domową)

Pomimo drugim prawem termodynamiki , krystalizacja czystych płynów zwykle zaczyna się w niższej temperaturze niż temperatura topnienia , ze względu na wysoką energię aktywacji do nukleacji homogenicznej . Stworzenie jądra implikuje utworzenie interfejsu na granicach nowej fazy. Część energii jest zużywana na utworzenie tego interfejsu, w oparciu o energię powierzchniową każdej fazy. Jeśli hipotetyczne jądro jest zbyt małe, energia, która zostałaby uwolniona przez uformowanie jego objętości, nie wystarczy do wytworzenia jego powierzchni i zarodkowanie nie postępuje. Zamrażanie nie rozpoczyna się, dopóki temperatura nie jest wystarczająco niska, aby zapewnić wystarczającą ilość energii do utworzenia stabilnych jąder. W obecności nieregularności na powierzchni pojemnika, zanieczyszczeń stałych lub gazowych, wstępnie uformowanych stałych kryształów lub innych zarodków, może wystąpić niejednorodna nukleacja , w której część energii jest uwalniana przez częściowe zniszczenie poprzedniej powierzchni rozdziału, podnosząc punkt przechłodzenia być bliskie lub równe temperaturze topnienia. Temperatura topnienia wody pod ciśnieniem 1 atmosfery jest bardzo bliska 0°C (32°F, 273,15 K), a w obecności substancji zarodkujących temperatura zamarzania wody jest bliska temperaturze topnienia, ale przy braku woda zarodkująca może przechłodzić się do -40 ° C (-40 ° F; 233 K) przed zamrożeniem. Pod wysokim ciśnieniem (2000 atmosfer ) woda przechłodzi się do temperatury -70 °C (-94 °F; 203 K) przed zamarznięciem.

Egzotermiczność

Zamrażanie jest prawie zawsze procesem egzotermicznym , co oznacza, że ​​gdy ciecz zamienia się w ciało stałe, uwalniane jest ciepło i ciśnienie. Często jest to postrzegane jako sprzeczne z intuicją, ponieważ temperatura materiału nie wzrasta podczas zamrażania, chyba że ciecz została przechłodzona . Można to jednak zrozumieć, ponieważ ciepło musi być stale usuwane z cieczy zamrażającej, w przeciwnym razie proces zamrażania zostanie zatrzymany. Energia uwalniana podczas zamrażania jest ciepłem utajonym i jest znana jako entalpia topnienia i jest dokładnie taka sama jak energia wymagana do stopienia tej samej ilości ciała stałego.

Hel niskotemperaturowy jest jedynym znanym wyjątkiem od ogólnej reguły. Hel-3 ma ujemną entalpię topnienia w temperaturach poniżej 0,3 K. Hel-4 ma również bardzo nieznacznie ujemną entalpię topnienia poniżej 0,8 K. Oznacza to, że przy odpowiednich stałych ciśnieniach do tych substancji należy dodać ciepło , aby zamrozić je.

Witryfikacja

Niektóre materiały, takie jak szkło i glicerol , mogą twardnieć bez krystalizacji; są to tak zwane ciała stałe amorficzne . Materiały amorficzne, jak również niektóre polimery, nie mają temperatury zamarzania, ponieważ w żadnej określonej temperaturze nie następuje gwałtowna zmiana fazy. Zamiast tego następuje stopniowa zmiana ich właściwości lepkosprężystych w różnych temperaturach. Takie materiały charakteryzują się zeszkleniem zachodzącym w temperaturze zeszklenia , którą można z grubsza zdefiniować jako „zagięcie” wykresu gęstości materiału w funkcji temperatury. Ponieważ zeszklenie jest procesem nierównowagowym, nie kwalifikuje się jako zamrażanie, które wymaga równowagi między stanem krystalicznym i ciekłym.

Ekspansja

Niektóre substancje, takie jak woda i bizmut , rozszerzają się po zamrożeniu.

Zamrażanie żywych organizmów

Wiele żywych organizmów jest w stanie tolerować dłuższy czas w temperaturach poniżej punktu zamarzania wody. Większość żywych organizmów gromadzi krioprotektanty, takie jak białka przeciw zarodkowaniu , poliole i glukoza, aby chronić się przed uszkodzeniem przez mróz przez ostre kryształki lodu. W szczególności większość roślin może bezpiecznie osiągnąć temperaturę od -4 °C do -12 °C. Niektóre bakterie , w szczególności Pseudomonas syringae , wytwarzają wyspecjalizowane białka, które służą jako silne nukleatory lodu, których używają do wymuszania tworzenia lodu na powierzchni różnych owoców i roślin w temperaturze około -2 °C. Zamrożenie powoduje uszkodzenia nabłonka i udostępnia bakteriom składniki odżywcze w leżących poniżej tkankach roślinnych.

Bakteria

Trzy gatunki bakterii, Carnobacterium pleistocenium , a także Chryseobacterium greenlandensis i Herminiimonas glaciei , podobno odżyły po tysiącach lat przetrwania w lodzie.

Rośliny

Wiele roślin przechodzi proces zwany twardnieniem , który pozwala im przetrwać temperatury poniżej 0 °C przez tygodnie, a nawet miesiące.

Zwierząt

Nicienie Haemonchus contortus mogą przetrwać 44 tygodnie zamrożone w temperaturze ciekłego azotu . Inne nicienie, które przeżywają w temperaturach poniżej 0 °C, to Trichostrongylus colubriformis i Panagrolaimus davidi . Wiele gatunków gadów i płazów przeżywa mrozy. Zobacz kriobiologię, aby uzyskać pełną dyskusję.

Ludzkie gamety oraz zarodki 2-, 4- i 8-komórkowe mogą przetrwać zamrożenie i są zdolne do życia do 10 lat w procesie znanym jako kriokonserwacja .

Eksperymentalne próby zamrożenia istot ludzkich w celu późniejszego przebudzenia znane są jako krionika .

Konserwowanie żywności

Zamrażanie jest powszechną metodą konserwacji żywności, która spowalnia zarówno rozkład żywności, jak i rozwój mikroorganizmów . Oprócz wpływu niższych temperatur na szybkość reakcji , zamrażanie sprawia, że ​​woda jest mniej dostępna dla rozwoju bakterii . zamrażanie jest jedną z najstarszych i najpowszechniej stosowanych metod konserwacji żywności już w 1842 roku, zamrażanie było szeroko stosowane w lodzie i solance. Podczas zamrażania smaki, zapachy i wartości odżywcze na ogół pozostają niezmienione. Zamrażanie stało się komercyjnie stosowane po pojawieniu się (wprowadzeniu) chłodzenia mechanicznego. Zamrażanie jest z powodzeniem stosowane do długoterminowego przechowywania wielu produktów spożywczych, zapewniając znacznie wydłużony okres przydatności do spożycia. Konserwowanie w stanie zamrożenia jest ogólnie uważane za lepsze niż puszkowanie i odwadnianie pod względem zachowania cech sensorycznych i cech odżywczych.

Zobacz też

Tabela

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Multimedia związane z Zamrażaniem w Wikimedia Commons
• Film przedstawiający krzepnięcie/zamrażanie związku międzymetalicznego