Мрзнење

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на прегледникот Прејди на пребарувањето

Замрзнување или зацврстување/солидификацијапреодна фаза во која течноста преминува во цврста фаза кога температурата на тоа тело е намалена под неговата точка на замрзнување.

За повеќето супстанци, точката на топење и точката на замрзнување се на иста температура, но некои супстанци поседуваат променливи температури на премин меѓу течна и цврста состојба. На пример, агарот има хистерезис во точките на топење и замрзнување. Се топи на 85 °C а се зацврстува на 31 °C до 40 °C.


Кристализација[уреди | уреди извор]

Повеќето течности замрзнуваат со кристализација – формација на кристално цврсто тело од чиста течност. Ова е термодинамичка транзициона фаза од прв ред, што значи дека се додека цврстото тело и течноста коегзистираат, температурата на целиот систем останува многу блиску до еднаква на точката на топење, поради спорото отстранување на топлината при контакт со воздух, кој е многу слаб топлински спороводник. Поради latent heat of fusion, замрзнувањето е многу успорено и температурата нема да продолжи да опаѓа кога замрзнувањето ќе почне, но ќе опаѓа кога замрзнувањето ќе заврши. Кристализацијата се состои од две важни фази: nucleation и crystal growth. Nucleation е фазата во која молекулите почнуваат да се собираат во јата, на нанометарски нанометар скали, подредувајќи се на дефиниран и периодичен начин што ја одредува кристалната структура. Кристалното растење е последователното растење на јадрата што успеваат во постигање на кристичната величина на јатата.

Суперладење[уреди | уреди извор]

Crystal Clear app xmag.svg Главна статија: „Суперладење.
Брзо создавање на кристали на мраз во суперизладена вода.

И покрај вториот закон во термодинамиката, кристализацијата на чистите течности обично почнува на пониска температура од точката на топење, поради висока енергија на активација на хомогено nucleation. Креирањето на јадро наговестува формација на интерфејс на границите на новата фаза. Дел од енергијата оди за формирање на овој интерфејс, зависно од површинската енергија на секоја фаза. Ако хипотетичко јадро е премало, енергијата што би се ослободила при формирањето на неговиот волумен не е доволна да се формира и површина, па така nucleation не настапува. Замрзнување не почнува се додека температурата не е доволно ниска да овозможи доволно енергија за формирање на стабилни јадра. Во присуство на неправилности на површината на садот, претходно формираните кристали, или други нуклеатори, хетерогена nucleation може да се случи, кадешто дел од енергијата е ослободена од делумната деструкција на претходниот интерфејс, покачувајќи ја точката на суперладење да биде иста или слична со точката на топење. Точката на топење на водата на еден атмосферски притисок е многу блиска до 0°C, и во присуство на нуклеирачки супстанци, точката на замрзнување е слична со точката на топење, но во отсуство на нуклеатори водата може да се суперизлади на -40°C пред замрзнување.[1][2]Под висок притисок (2.000 атмосфери), преку суперладење водата ќе се излади до −70 °C (203 K) пред да замрзне.[3]


Егзотермичност[уреди | уреди извор]

Замрзнувањето е скоро секогаш егзотермички процес, што значи дека при промената на агрегатната состојба на течноста во цврста, топлина и притисок се ослободуваат. Вообичаено ова е неинтуитивно,[4] затоа што температурата на материјата не се покачува при замрзнување, освен ако течноста не се суперлади. Но ова може да се сфати, бидејќи топлината мора

континуирано да се оттрга од замрзнувачката течност, или замрзнувачкиот процес ќе престане. Енергијата ослободена при замрзнување е latent heat, позната како енталпија на фузија, и е иста како енергијата потребна да се стопи иста количина од телото во цврстата состојба.

Хелиум е единствениот познат исклучок од генералното правило.[5] Хелуим-3 има негативна енталпија на фузија на температури под 0.3 К. Хелиум-4 исто така има многу малку негативна енталпија на фузија под 0.8 К. Ова значи дека, под соодветен константен притисок, топлина мора да се додаде на овие супстанци со цел да се замрзнат.[6]


Витрификација[уреди | уреди извор]

Некои материјали, како стакло и глицерол, можат да се зацврстат без кристализација. Ваквите матеијали се викаат аморфни цврсти тела. Аморфните материјали, како и некои полимери, немаат точка на замрзнување (поради фактот што нема брза промена во состојбата на некоја температура). За разлика, постепена промена во нивните вискозно-еластични својства се случува. Ваквите материјали се карактеризирани со стаклена транзиција. Бидејќи витрификацијата е неурамнотежен процес, не се кфалификува како замрзнување, што бара рамнотежа меѓу кристалната и течна состојба.

Експанзија[уреди | уреди извор]

Некои супстанци, како вода и бизмут, се прошируваат кога замрзнуваат.

Замрзнување на живите организми[уреди | уреди извор]

Многу живи организми се способни да толерираат температури под точката на замрзнување на водата.[7] Замрзнувањето предизвикува повреди на епителот и хранливите состојки во внатрешноста на ткивата на растенијата се додтапни за бактериите.[8]

Зачувување на храната[уреди | уреди извор]

Замрзнување на храната е често користен метод за зачувување на храната, што ги успорува и распаѓањето на храната и ги размножувањето на микро-организмите.

Поврзано[уреди | уреди извор]

Шаблон:Табела на фазни премини

Наводи[уреди | уреди извор]

  1. Lundheim R.. Physiological and ecological significance of biological ice nucleators. „Philosophical Transactions of the Royal Society B“ том  357 (1423): 937–943. doi:10.1098/rstb.2002.1082. PMID 12171657. 
  2. Franks F.. Nucleation of ice and its management in ecosystems (PDF). „Philosophical Transactions of the Royal Society A“ том  361 (1804): 557–574. doi:10.1098/rsta.2002.1141. PMID 12662454. Bibcode2003RSPTA.361..557F. http://rsta.royalsocietypublishing.org/content/361/1804/557.long. 
  3. Jeffery, CA; Austin, PH. Homogeneous nucleation of supercooled water: Results from a new equation of state. „Journal of Geophysical Research“ том  102 (D21): 25269–25280. doi:10.1029/97JD02243. Bibcode1997JGR...10225269J 
  4. What is an exothermic reaction? Scientific American, 1999
  5. Atkins, Peter; Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4th изд.), W. H. Freeman and Company, стр. 236, ISBN 0-7167-7355-4 
  6. Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana (2000), Chemical Thermodynamics: Advanced Applications, Academic Press, стр. 92–93, ISBN 0-12-530985-6 
  7. Maki LR, Galyan EL, Chang-Chien MM, Caldwell DR; Galyan; Chang-Chien; Caldwell. Ice nucleation induced by pseudomonas syringae. „Applied Microbiology“ том  28 (3): 456–459. PMID 4371331. 
  8. Zachariassen KE, Kristiansen E; Kristiansen. Ice nucleation and antinucleation in nature. „Cryobiology“ том  41 (4): 257–279. doi:10.1006/cryo.2000.2289. PMID 11222024. 

Надворешни врски[уреди | уреди извор]