Vindecare

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 20 februarie 2021; verificările necesită 3 modificări .

Solidificarea (și solidificarea , înghețarea , înghețarea ) este o tranziție de fază în care un lichid se transformă într- un solid atunci când temperatura lui scade sub punctul său de îngheț . Conform unei definiții stabilite la nivel internațional, înghețarea înseamnă o modificare a fazei de solidificare a unui lichid sau a conținutului lichid al unei substanțe, de obicei datorată răcirii [1] [2] .

Deși unii autori diferențiază solidificarea de înghețare ca fiind procesul prin care un lichid se transformă într-un solid atunci când presiunea crește, cei doi termeni sunt folosiți interschimbabil.

Pentru majoritatea substanțelor, punctele de topire și de îngheț sunt aceleași; totuși, unele substanțe au temperaturi diferite de tranziție solid-lichid. De exemplu, agar -ul prezintă histerezis la punctul său de topire și punctul de îngheț. Se topește la 85°C și se întărește în intervalul de temperatură de la 32°C la 40°C [3] .

Cristalizare

Majoritatea lichidelor îngheață prin cristalizare , formarea unui solid cristalin dintr-un lichid omogen. Aceasta este o tranziție de fază termodinamică de ordinul întâi, ceea ce înseamnă că atâta timp cât solid și lichid coexistă, temperatura întregului sistem rămâne aproape egală cu punctul de topire datorită eliminării lente a căldurii în contact cu aerul, care este o slab conducător de căldură. Datorită căldurii latente de fuziune, înghețarea este încetinită semnificativ și temperatura nu va mai scădea odată ce începe înghețarea, ci va continua să scadă când se termină. Cristalizarea constă din două evenimente principale, nuclearea și creșterea cristalelor. Nuclearea este etapa în care moleculele încep să se adune în grupuri la scara nanometrică , dispuse într-un model specific și periodic care determină structura cristalină . Creșterea cristalelor este creșterea ulterioară a nucleelor ​​care reușesc să atingă o dimensiune critică a clusterului.

Hipotermie

În ciuda celei de-a doua legi a termodinamicii , cristalizarea lichidelor pure începe de obicei la o temperatură mai mică decât punctul de topire , datorită energiei mari de activare a nucleării omogene . Crearea nucleului presupune formarea unei interfețe la granițele unei noi faze. O parte din energie este cheltuită în formarea acestei interfețe, pe baza energiei de suprafață a fiecărei faze. Dacă nucleul ipotetic este prea mic, energia eliberată în timpul formării volumului său nu este suficientă pentru a-și crea suprafața și nu are loc nuclearea. Înghețarea nu începe până când temperatura este suficient de scăzută pentru a furniza suficientă energie pentru a forma nuclee stabile. În prezența neregularităților pe suprafața vasului gazdă, a impurităților solide sau gazoase, a cristalelor solide preformate sau a altor agenți de nucleare, poate apărea nucleație eterogenă , în care o anumită energie este eliberată atunci când interfața anterioară se rupe parțial, crescând suprarăcirea. punct apropiat sau egal cu punctul de topire. Punctul de topire al apei la 1 atmosferă de presiune este foarte aproape de 0 °C (273,15 K), iar în prezența agenților de nucleare , punctul de îngheț al apei este aproape de punctul de topire, dar în absența agenților de nucleare, apa. poate fi suprarăcită la -40 °C (233 K) înainte de congelare. [4] [5] La presiune mare (2000 atmosfere ), apa se va suprarăci la -70 °C (203 K) înainte de înghețare. [6]

Exotermicitate

Înghețarea este aproape întotdeauna un proces exotermic, ceea ce înseamnă că căldura și presiunea sunt eliberate pe măsură ce lichidul se transformă într-un solid. Acest lucru poate părea contraintuitiv [7] , deoarece temperatura unui material nu crește în timpul înghețului, cu excepția cazului în care lichidul este suprarăcit . Dar acest lucru poate fi înțeles după cum urmează: căldura trebuie îndepărtată continuu din lichidul înghețat, altfel procesul de congelare se va opri. Energia eliberată în timpul înghețului este căldura latentă și este cunoscută sub numele de entalpia de fuziune și este exact egală cu energia necesară pentru a topi aceeași cantitate de solid.

Heliul la temperatură joasă este singura excepție cunoscută de la regula generală. [8] Heliul-3 are o entalpie de fuziune negativă la temperaturi sub 0,3 K. Heliul-4 are, de asemenea, o entalpie de fuziune ușor negativă sub 0,8 K. Aceasta înseamnă că la presiuni constante adecvate, trebuie adăugată căldură acestor substanțe pentru a sa le inghete... [9]

Vitrificare

Unele materiale, cum ar fi sticla și glicerina , se pot solidifica fără a cristaliza; se numesc solide amorfe . Materialele amorfe, ca unii polimeri , nu au un punct de îngheț, deoarece nu există o schimbare bruscă de fază la o anumită temperatură. În schimb, există o schimbare treptată a proprietăților lor vâscoelastice într-un anumit interval de temperatură. Astfel de materiale sunt caracterizate printr-o tranziție sticloasă care are loc la o temperatură de tranziție sticloasă, care poate fi definită aproximativ ca punctul „genunchi” al graficului densității materialului în funcție de temperatură. Deoarece tranziția sticloasă este un proces de neechilibru, nu poate fi calificată drept congelare, ceea ce necesită un echilibru între starea cristalină și cea lichidă.

Extensie

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

Înghețarea organismelor vii

Multe organisme vii sunt capabile să tolereze perioade lungi de timp la temperaturi sub punctul de îngheț al apei. Majoritatea organismelor vii acumulează crioprotectori , cum ar fi proteinele antinucleante , poliolii și glucoza , pentru a se proteja de îngheț și cristale de gheață ascuțite. În special, majoritatea plantelor pot atinge în siguranță temperaturi între -4°C și -12°C. Unele bacterii , în special Pseudomonas syringae , produc proteine ​​specializate care servesc ca nuclee puternice de gheață pe care le folosesc pentru a forța formarea de gheață pe suprafața diferitelor fructe și plante la aproximativ -2°C. [10] Înghețarea cauzează deteriorarea epiteliului și pune la dispoziția bacteriilor nutrienții din țesuturile plantei de bază. [unsprezece]

Bacterii

Se raportează că trei specii de bacterii supraviețuiesc mii de ani de îngheț în gheață: Carnobacterium pleistocenium , precum și Chryseobacterium greenlandensis și Herminiimonas glaciei .

Plante

Multe plante sunt supuse unui proces numit întărire , care le permite să supraviețuiască sub 0°C timp de săptămâni sau luni.

Animale

Nematodul Haemonchus contortus poate supraviețui timp de 44 de săptămâni înghețat la temperatura azotului lichid . Nematozii Trichostrongylus colubriformis și Panagrolaimus davidi tolerează, de asemenea, temperaturi sub 0˚C. Multe specii de reptile și amfibieni supraviețuiesc înghețului. Consultați criobiologie pentru o discuție completă.

Gameții umani și embrionii cu 2, 4 și 8 celule pot supraviețui înghețului și sunt viabile până la 10 ani. Această proprietate este utilizată în crioconservare .

Încercările experimentale de a îngheța oamenii pentru o renaștere ulterioară sunt explorate în cadrul științei crionicei .

Conservarea alimentelor

Congelarea este o metodă comună de conservare a alimentelor care întârzie atât descompunerea alimentelor, cât și creșterea microorganismelor . Pe lângă efectul temperaturilor mai scăzute asupra vitezei de reacție , înghețarea face ca apa să fie mai puțin disponibilă pentru creșterea bacteriilor .

Note

  1. ↑ Dicționar internațional de refrigerare, http://dictionary.iifiir.org/search.php Arhivat 1 octombrie 2019 la Wayback Machine
  2. ↑ ASHRAE Terminology, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology Arhivat la 1 iunie 2019 la Wayback Machine
  3. ↑ Totul despre agar . sciencebuddies.org. Consultat la 27 aprilie 2011. Arhivat din original pe 3 iunie 2011.
  4. ↑ Lundheim R. Semnificația fiziologică și ecologică a nucleatorilor biologici de gheață  // Philosophical  Transactions of the Royal Society B  : journal. - 2002. - Vol. 357 , nr. 1423 . - P. 937-943 . - doi : 10.1098/rstb.2002.1082 . — PMID 12171657 .
  5. ↑ Franks F. Nuclearea gheții și managementul ei în ecosisteme  // Philosophical  Transactions of the Royal Society A : jurnal. - 2003. - Vol. 361 , nr. 1804 . - P. 557-574 . doi : 10.1098 / rsta.2002.1141 . - Cod . — PMID 12662454 .
  6. ↑ CA; Jeffery. Nuclearea omogenă a apei suprarăcite: rezultate dintr-o nouă ecuație de stare  //  Journal of Geophysical Research : jurnal. - noiembrie 1997. - Vol. 102 , nr. D21 . - P. 25269-25280 . - doi : 10.1029/97JD02243 . - Cod biblic .
  7. ↑ Ce este o reacție exotermă? Arhivat 25 aprilie 2020 la Wayback Machine Scientific American , 1999
  8. ↑ Atkins, Peter & Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (ed. a patra), WH Freeman and Company, p. 236, ISBN 0-7167-7355-4 
  9. ↑ Ott, J. Bevan & Boerio-Goates, Juliana (2000), Chemical Thermodynamics: Advanced Applications , Academic Press, ISBN 0-12-530985-6 
  10. ↑ Nuclearea gheții indusă de Pseudomonas syringae  (neopr.)  // Microbiologie aplicată. - 1974. - T. 28 , nr 3 . - S. 456-459 . — PMID 4371331 .
  11. ↑ Nuclearea gheții și antinuclearea în natură  (neopr.)  // Cryobiology. - 2000. - T. 41 , nr. 4 . - S. 257-279 . doi : 10.1006 / cryo.2000.2289 . — PMID 11222024 .

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
În cataloagele bibliografice