» » » » » » Înghețarea/Solidificarea

Înghețarea/Solidificarea

postat în: Căldura, Materia | 0

Înghețarea sau solidificarea este o tranziție de fază în care un lichid se transformă într-un solid atunci când temperatura sa este scăzută sub punctul de congelare.

Pentru cele mai multe substanțe, punctele de topire și congelare sunt la aceeași temperatură; totuși, anumite substanțe posedă temperaturi de tranziție solide-lichide diferite. De exemplu, agar afișează o histereză în punctul de topire și punctul de congelare. Se topește la 85 °C și se solidifică de la 32 °C la 40 °C.

Cristalizare

Schema unei mici părți a unui cristal în creștere
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Schematic_of_crystal_growth_of_simple_cubic_lattice,_showing_additional_molecule_adding_in_corner.png

(Schema unei mici părți a unui cristal în creștere. Cristalul este format din particule cubice (albastre) pe o latură simplă cubică. Stratul superior este incomplet, doar zece din cele șaisprezece poziții ale rețelelor sunt ocupate de particule. O particulă în fluid (prezentată cu marginile roșii) se unește cu cristalul, crescând cristalul cu o singură particulă. Se alătură rețelei în punctul în care energia va fi minimă, care se află în colțul stratului superior incomplet (deasupra particulei arătate cu marginile galbene). Energia sa va fi minimă, deoarece în această poziție sunt trei vecini (unul mai jos, unul la stânga și unul deasupra dreapta) cu care va interacționa. Toate celelalte poziții pe un strat de cristal incomplet au doar unul sau doi vecini.)

Majoritatea lichidelor îngheață prin cristalizare, formând solid cristalin din lichidul uniform. Aceasta este o tranziție de fază termodinamică de prim ordin, ceea ce înseamnă că, atât timp cât solidul și lichidul coexistă, temperatura întregului sistem rămâne aproape egală cu punctul de topire datorită îndepărtării lente a căldurii în contact cu aerul, care este un conductor de căldură slab. Din cauza căldurii latente de fuziune, înghețarea este foarte mult încetinită și temperatura nu va mai scădea odată cu începerea înghețării, dar va continua să scadă odată ce aceasta se va termina. Cristalizarea constă în două evenimente majore, nucleație și creșterea de cristale. Nucleația este etapa în care moleculele încep să se adune în clustere, pe scara nanometrică, aranjându-se într-o manieră definită și periodică care definește structura cristalină. Creșterea cristalelor este creșterea ulterioară a nucleelor ​​care reușesc să atingă dimensiunea critică a clusterului.

Suprarăcire

În ciuda celei de-a doua legi a termodinamicii, cristalizarea lichidelor pure începe, de obicei, la o temperatură mai scăzută decât punctul de topire, datorită energiei de activare ridicată a nucleației omogene. Crearea unui nucleu implică formarea unei interfețe la limitele noii faze. Unele energii sunt cheltuite pentru a forma această interfață, pe baza energiei de suprafață a fiecărei faze. Dacă un nucleu ipotetic este prea mic, energia care va fi eliberată prin formarea volumului său nu este suficientă pentru a-și crea suprafața și nucleația nu se desfășoară. Înghețarea nu începe până când temperatura nu este suficient de scăzută pentru a furniza suficientă energie pentru a forma nuclee stabile. În prezența unor nereguli pe suprafața vasului, impurități solide sau gazoase, cristale solide preformate sau alți nucleatori, poate apărea o nucleație heterogenă, unde o anumită energie este eliberată prin distrugerea parțială a interfeței anterioare, ridicând punctul de superrăcire la aproape sau egal cu punctul de topire. Punctul de topire al apei la o presiune de 1 atmosferă este foarte apropiat de 0 °C, iar în prezența substanțelor nucleante, punctul de îngheț al apei este aproape de punctul de topire, dar în absența nucleatoarelor apa poate suprarăci la -40 °C înainte de îngheț. În condiții de presiune ridicată (2.000 de atmosfere), apa va suprarăci până la -70 °C înainte de îngheț.

Exotermicități

Înghețarea este aproape întotdeauna un proces exotermic, ceea ce înseamnă că, pe măsură ce lichidul se transformă în solid, căldura și presiunea sunt eliberate. Acest lucru este adesea văzut contra-intuitiv, deoarece temperatura materialului nu crește în timpul înghețării, cu excepția cazului în care lichidul a fost suprarăcit. Dar acest lucru poate fi înțeles, deoarece căldura trebuie să fie continuu îndepărtată din lichidul de îngheț sau procesul de înghețare se va opri. Energia eliberată la înghețare este o căldură latentă și este cunoscută ca entalpia fuziunii și este exact aceeași cu energia necesară pentru a topi aceeași cantitate de solid.

Heliumul la temperatură joasă este singura excepție cunoscută de la regula generală. Helium-3 are o entalpie negativă de fuziune la temperaturi sub 0,3 K. Helium-4 are, de asemenea, o entalpie foarte puțin negativă de fuziune sub 0,8 K. Aceasta înseamnă că, la presiuni constante corespunzătoare, trebuie adăugată căldură la aceste substanțe pentru a le îngheța.

Vitrificare

Vitrificare(Un experiment de vitrificare.)

Anumite materiale, cum ar fi sticla și glicerolul, se pot întări fără cristalizare; acestea se numesc solide amorfe. Materialele amorfe, precum și unii polimeri, nu au un punct de îngheț, deoarece nu există schimbări bruște ale fazelor la nicio temperatură specifică. În schimb, există o schimbare treptată a proprietăților lor vîscoelastice pe o gamă de temperaturi. Astfel de materiale sunt caracterizate printr-o tranziție vitroasă care are loc la o temperatură de tranziție vitroasă, care poate fi definită aproximativ drept punctul „de îngenunchere” al graficului densității materialului față de temperatură. Deoarece vitrificarea este un proces non-echilibru, nu se califică drept îngheț, ceea ce necesită un echilibru între starea cristalină și cea lichidă.

Expansiune

Unele substanțe, cum ar fi apa și bismutul, se extind atunci când sunt înghețate.

Înghețarea organismelor vii

Multe organisme vii pot rezista perioade prelungite de timp la temperaturi sub punctul de îngheț al apei. Majoritatea organismelor vii acumulează crioprotectori cum ar fi proteinele anti-nucleante, poliolii și glucoza, pentru a se proteja împotriva daunelor cauzate de îngheț de către cristalele de gheață ascuțite. Majoritatea plantelor, în special, pot atinge în condiții de siguranță temperaturi de -4 °C până la -12° C. Anumite bacterii, în special Pseudomonas syringae, produc proteine ​​specializate care servesc ca nucleatoare puternice de gheață, pe care le folosesc pentru a forța formarea gheții pe suprafața diferitelor fructe și plante la aproximativ -2 °C. Înghețarea provoacă răni în epiteliu și face ca substanțele nutritive din țesuturile de bază ale plantei să fie disponibile pentru bacterii.

Bancă cu temperaturi scăzute
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Low_temperature_bank2.jpg 

(Bancă cu temperaturi scăzute, Institutul pentru probleme de criobiologie și criomedicină al Academiei Naționale de Științe din Ucraina. )

Bacterii

Trei specii de bacterii, Carnobacterium pleistocenium, precum și Chryseobacterium greenlandensis și Herminiimonas glaciei, au fost reînviate după ce au supraviețuit de mii de ani înghețate în gheață.

Plante

Multe plante suferă un proces numit întărire, care le permite să supraviețuiască temperaturilor sub 0 °C timp de săptămâni până la luni.

Animale

Nematodul Haemonchus contortus poate supraviețui 44 de săptămâni înghețat la temperaturi de azot lichid. Alte nematode care supraviețuiesc la temperaturi sub 0 °C includ Trichostrongylus colubriformis și Panagrolaimus davidi. Multe specii de reptile și amfibieni supraviețuiesc înghețării.

Gameții și embrionii umani cu 2, 4 și 8 celule pot supraviețui înghețului și sunt viabili timp de până la 10 ani, un proces cunoscut sub numele de crioprezervare.

Tentativele experimentale de înghețare a ființelor umane pentru o renaștere ulterioară sunt cunoscute sub numele de crionică.

Conservarea alimentelor

Înghețarea este o metodă comună de conservare a alimentelor, care încetinește atât degradarea produselor alimentare cât și dezvoltarea microorganismelor. Pe lângă efectul temperaturilor mai scăzute asupra ratelor de reacție, înghețarea face ca apa să fie mai puțin disponibilă pentru dezvoltarea bacteriilor.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *