Härdning

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 20 februari 2021; kontroller kräver 3 redigeringar .

Stelning (även stelning , frysning , frysning ) är en fasövergång där en vätska förvandlas till ett fast ämne när dess temperatur sjunker under fryspunkten . Enligt en internationellt etablerad definition innebär frysning en förändring i stelningsfasen för en vätska eller vätskeinnehållet i ett ämne, vanligtvis på grund av kylning [1] [2] .

Även om vissa författare skiljer stelning från frysning som den process genom vilken en vätska förvandlas till en fast substans när trycket ökas, används de två termerna omväxlande.

För de flesta ämnen är smält- och fryspunkterna desamma; dock har vissa ämnen olika fast-till-vätska-övergångstemperaturer. Till exempel visar agar hysteres vid sin smältpunkt och fryspunkt. Den smälter vid 85°C och härdar i temperaturintervallet från 32°C till 40°C [3] .

Kristallisering

De flesta vätskor fryser genom kristallisation , bildandet av ett kristallint fast ämne från en homogen vätska. Detta är en termodynamisk fasövergång av första ordningen, vilket innebär att så länge som fast och flytande samexisterar, förblir temperaturen i hela systemet nästan lika med smältpunkten på grund av det långsamma avlägsnandet av värme i kontakt med luft, vilket är en dålig värmeledare. På grund av den latenta smältvärmen bromsas frysningen avsevärt och temperaturen kommer inte längre att sjunka när frysningen börjar, utan fortsätter att sjunka när den upphör. Kristallisering består av två huvudhändelser, kärnbildning och kristalltillväxt. Kärnbildning är det stadium där molekyler börjar samlas till kluster på nanometerskala , arrangerade i ett specifikt och periodiskt mönster som bestämmer kristallstrukturen . Kristalltillväxt är den efterföljande tillväxten av kärnor som lyckas nå en kritisk klusterstorlek.

Hypotermi

Trots termodynamikens andra lag börjar kristallisering av rena vätskor vanligtvis vid en temperatur som är lägre än smältpunkten , på grund av den höga aktiveringsenergin för homogen kärnbildning . Skapandet av kärnan innebär bildandet av ett gränssnitt vid gränserna för en ny fas. En del energi går åt för att bilda detta gränssnitt, baserat på ytenergin för varje fas. Om den hypotetiska kärnan är för liten räcker inte energin som frigörs under bildandet av dess volym för att skapa dess yta, och kärnbildning sker inte. Frysningen börjar inte förrän temperaturen är tillräckligt låg för att ge tillräckligt med energi för att bilda stabila kärnor. I närvaro av oregelbundenheter på värdkärlets yta, fasta eller gasformiga föroreningar, förformade fasta kristaller eller andra kärnbildande medel, kan heterogen kärnbildning uppstå , där viss energi frigörs när den tidigare gränsytan delvis går sönder, vilket höjer underkylningen punkt nära eller lika med smältpunkten. Smältpunkten för vatten vid 1 atmosfärs tryck är mycket nära 0 °C (273,15 K) och i närvaro av kärnbildningsmedel är vattnets fryspunkt nära smältpunkten, men i frånvaro av kärnbildande medel, vatten kan underkylas till -40 °C (233 K) före frysning. [4] [5] Vid högt tryck (2000 atmosfärer ) kommer vattnet att superkyla till -70 °C (203 K) innan det fryser. [6]

Exotermicitet

Frysning är nästan alltid en exoterm process, vilket innebär att värme och tryck frigörs när en vätska förvandlas till en fast substans. Detta kan verka kontraintuitivt [7] eftersom temperaturen på ett material inte stiger under frysning, såvida inte vätskan är underkyld . Men detta kan förstås på följande sätt: värme måste kontinuerligt avlägsnas från den frusna vätskan, annars kommer frysningsprocessen att sluta. Energin som frigörs under frysning är den latenta värmen och är känd som fusionsentalpi, och är exakt lika med energin som krävs för att smälta samma mängd fast ämne.

Lågtemperaturhelium är det enda kända undantaget från den allmänna regeln. [8] Helium-3 har en negativ fusionsentalpi vid temperaturer under 0,3 K. Helium-4 har också en något negativ fusionsentalpi under 0,8 K. Detta innebär att vid lämpliga konstanta tryck måste värme tillföras dessa ämnen för att att frysa dem.. [9]

Vitrifiering

Vissa material, såsom glas och glycerin , kan stelna utan att kristallisera; de kallas amorfa fasta ämnen . Amorfa material, som vissa polymerer , har ingen fryspunkt eftersom det inte sker någon abrupt fasförändring vid någon speciell temperatur. Istället sker en gradvis förändring av deras viskoelastiska egenskaper över ett visst temperaturområde. Sådana material kännetecknas av en glasövergång som sker vid en glasövergångstemperatur, som grovt kan definieras som "knä"-punkten för materialdensitet kontra temperaturdiagram. Eftersom glasövergång är en icke-jämviktsprocess, kan den inte kvalificeras som frysning, vilket kräver en jämvikt mellan det kristallina och flytande tillståndet.

Tillägg

Vissa ämnen, som vatten och vismut , expanderar när de fryses.

Frysning av levande organismer

Många levande organismer kan tolerera långa tidsperioder vid temperaturer under vattnets fryspunkt. De flesta levande organismer ackumulerar kryoskyddsmedel som antinukleerande proteiner , polyoler och glukos för att skydda sig mot frost , vassa iskristaller. I synnerhet kan de flesta växter säkert nå temperaturer mellan -4°C och -12°C. Vissa bakterier , särskilt Pseudomonas syringae , producerar specialiserade proteiner som fungerar som kraftfulla iskärnor som de använder för att tvinga fram isbildning på ytan av olika frukter och växter vid cirka -2°C. [10] Frysning orsakar skador på epitelet och gör näringsämnen i den underliggande växtens vävnader tillgängliga för bakterier. [elva]

Bakterier

Tre arter av bakterier rapporteras överleva tusentals år av frysning i is: Carnobacterium pleistocenium , såväl som Chryseobacterium greenlandensis och Herminiimonas glaciei .

Växter

Många växter genomgår en process som kallas härdning , vilket gör att de kan överleva under 0°C i veckor till månader.

Djur

Nematoden Haemonchus contortus kan överleva i 44 veckor fryst vid flytande kvävetemperatur . Nematoderna Trichostrongylus colubriformis och Panagrolaimus davidi tål även temperaturer under 0˚C. Många arter av reptiler och amfibier överlever frysning. Se kryobiologi för en fullständig diskussion.

Mänskliga könsceller och 2-, 4- och 8-cells embryon kan överleva frysning och är livskraftiga i upp till 10 år. Den här egenskapen används vid kryokonservering .

Experimentella försök att frysa människor för senare återfödelse undersöks inom vetenskapen om kryonik .

Konservering av livsmedel

Frysning är en vanlig matkonserveringsmetod som fördröjer både nedbrytning av mat och tillväxt av mikroorganismer . Förutom effekten av lägre temperaturer på reaktionshastigheten gör frysning vatten mindre tillgängligt för bakterietillväxt .

Anteckningar

  1. ↑ International Dictionary of Refrigeration, http://dictionary.iifiir.org/search.php Arkiverad 1 oktober 2019 på Wayback Machine
  2. ↑ ASHRAE Terminology, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology Arkiverad 1 juni 2019 på Wayback Machine
  3. ↑ Allt om agar . sciencebuddies.org. Hämtad 27 april 2011. Arkiverad från originalet 3 juni 2011.
  4. ↑ Lundheim R. Fysiologiska och ekologiska betydelsen av biologiska iskärnor  // 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. Nucleation of ice and its management in ecosystems  // Philosophical  Transactions of the Royal Society A : journal. - 2003. - Vol. 361 , nr. 1804 . - s. 557-574 . doi : 10.1098 / rsta.2002.1141 . - . — PMID 12662454 .
  6. ↑ CA; Jeffery. Homogen kärnbildning av underkylt vatten: Resultat från en ny tillståndsekvation  //  Journal of Geophysical Research : journal. - November 1997. - Vol. 102 , nr. D21 . - P. 25269-25280 . - doi : 10.1029/97JD02243 . - .
  7. ↑ Vad är en exoterm reaktion? Arkiverad 25 april 2020 på Wayback Machine Scientific American 1999
  8. ↑ Atkins, Peter & Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4:e upplagan), WH Freeman and Company, sid. 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. ↑ Iskärnbildning inducerad av Pseudomonas syringae  (neopr.)  // Tillämpad mikrobiologi. - 1974. - T. 28 , nr 3 . - S. 456-459 . — PMID 4371331 .
  11. ↑ Iskärnbildning och antikärnbildning i naturen  (neopr.)  // Kryobiologi. - 2000. - T. 41 , nr 4 . - S. 257-279 . doi : 10.1006 / cryo.2000.2289 . — PMID 11222024 .

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger