Vytvrzování

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 20. února 2021; kontroly vyžadují 3 úpravy .

Tuhnutí (též tuhnutí , tuhnutí , tuhnutí ) je fázový přechod , při kterém se kapalina mění v pevnou látku , když její teplota klesne pod bod mrazu . Podle mezinárodně stanovené definice se zmrazením rozumí změna fáze tuhnutí kapaliny nebo kapalného obsahu látky, obvykle v důsledku ochlazení [1] [2] .

Ačkoli někteří autoři rozlišují tuhnutí od zmrazování jako proces, při kterém se kapalina při zvýšení tlaku mění v pevnou látku, tyto dva termíny se používají zaměnitelně.

U většiny látek jsou body tání a tuhnutí stejné; některé látky však mají různé teploty přechodu mezi pevnou látkou a kapalinou. Například agar vykazuje hysterezi při svém bodu tání a bodu tuhnutí. Taví při 85°C a tvrdne v rozmezí teplot od 32°C do 40°C [3] .

Krystalizace

Většina kapalin zmrzne krystalizací , tvorbou krystalické pevné látky z homogenní kapaliny. Jedná se o termodynamický fázový přechod prvního řádu, což znamená, že dokud koexistují pevná látka a kapalina, teplota celého systému zůstává téměř rovna bodu tání v důsledku pomalého odvodu tepla při kontaktu se vzduchem, což je špatný vodič tepla. Díky latentnímu teplu tání se mrazení výrazně zpomalí a teplota již neklesne, jakmile začne mrazení, ale bude dále klesat, když skončí. Krystalizace se skládá ze dvou hlavních dějů, nukleace a růstu krystalů. Nukleace je fáze, ve které se molekuly začnou shromažďovat do shluků v nanometrovém měřítku, uspořádaných do specifického a periodického vzoru, který určuje krystalovou strukturu . Růst krystalů je následný růst jader, kterým se podaří dosáhnout kritické velikosti klastru.

Hypotermie

Navzdory druhému termodynamickému zákonu začíná krystalizace čistých kapalin obvykle při teplotě nižší, než je bod tání , kvůli vysoké aktivační energii homogenní nukleace . Vytvoření jádra znamená vytvoření rozhraní na hranicích nové fáze. Určitá energie je vynaložena na vytvoření tohoto rozhraní na základě povrchové energie každé fáze. Pokud je hypotetické jádro příliš malé, energie uvolněná při vzniku jeho objemu nestačí k vytvoření jeho povrchu a k nukleaci nedochází. Zmrazování nezačne, dokud teplota není dostatečně nízká, aby poskytla dostatek energie k vytvoření stabilních jader. V přítomnosti nepravidelností na povrchu hostitelské nádoby, pevných nebo plynných nečistot, předem vytvořených pevných krystalů nebo jiných nukleačních činidel může dojít k heterogenní nukleaci , při které se uvolní určitá energie, když se předchozí rozhraní částečně rozbije, čímž se zvýší podchlazení bod blízký nebo rovný bodu tání. Teplota tání vody při tlaku 1 atmosféry je velmi blízká 0 °C (273,15 K) a v přítomnosti nukleačních činidel je bod tuhnutí vody blízký bodu tání, ale v nepřítomnosti nukleačních činidel voda lze před zmrazením přechladit na -40 °C (233 K). [4] [5] Při vysokém tlaku (2000 atmosfér ) se voda před zmrazením podchladí na -70 °C (203 K). [6]

Exotermnost

Zmrazování je téměř vždy exotermický proces, což znamená, že teplo a tlak se uvolňují, když se kapalina mění v pevnou látku. To se může zdát neintuitivní [7] , protože teplota materiálu během zmrazování nestoupá, pokud není kapalina přechlazena . Ale to lze chápat následovně: ze zmrzlé kapaliny musí být nepřetržitě odebíráno teplo, jinak se proces zmrazování zastaví. Energie uvolněná při zmrazování je latentní teplo a je známá jako entalpie fúze a přesně se rovná energii potřebné k roztavení stejného množství pevné látky.

Nízkoteplotní helium je jedinou známou výjimkou z obecného pravidla. [8] Helium-3 má negativní entalpii fúze při teplotách pod 0,3 K. Helium-4 má také mírně negativní entalpii fúze pod 0,8 K. To znamená, že při vhodných konstantních tlacích je třeba těmto látkám dodat teplo, aby zmrazit je.. [9]

Vitrifikace

Některé materiály, jako je sklo a glycerin , mohou ztuhnout bez krystalizace; nazývají se amorfní pevné látky . Amorfní materiály, jako některé polymery , nemají bod tuhnutí, protože při žádné konkrétní teplotě nedochází k žádné náhlé změně fáze. Místo toho dochází k postupné změně jejich viskoelastických vlastností v určitém teplotním rozmezí. Takové materiály se vyznačují skelným přechodem, ke kterému dochází při teplotě skelného přechodu, kterou lze zhruba definovat jako "kolenní" bod grafu hustoty materiálu versus teplota. Protože skelný přechod je nerovnovážný proces, nelze jej kvalifikovat jako zmrazení, které vyžaduje rovnováhu mezi krystalickým a kapalným stavem.

Rozšíření

Některé látky, jako je voda a vizmut , se při zmrazení roztahují.

Zmrazování živých organismů

Mnoho živých organismů je schopno tolerovat dlouhou dobu při teplotách pod bodem mrazu vody. Většina živých organismů hromadí kryoprotektory , jako jsou antinukleační proteiny , polyoly a glukóza , aby se chránily před mrazem , ostrými ledovými krystaly. Zejména většina rostlin může bezpečně dosáhnout teplot mezi -4 °C a -12 °C. Některé bakterie , zejména Pseudomonas syringae , produkují specializované proteiny, které slouží jako silná ledová jádra, která používají k vynucení tvorby ledu na povrchu různých druhů ovoce a rostlin při teplotě kolem -2 °C. [10] Zmrazení způsobí poškození epitelu a zpřístupní živiny v pletivech pod nimi ležící rostliny bakteriím. [jedenáct]

Bakterie

Uvádí se, že tři druhy bakterií přežívají tisíce let mrazu v ledu: Carnobacterium pleistocenium , stejně jako Chryseobacterium greenlandensis a Herminiimonas glaciei .

Rostliny

Mnoho rostlin prochází procesem zvaným otužování , který jim umožňuje přežít týdny až měsíce pod 0 °C.

Zvířata

Nematoda Haemonchus contortus může přežít 44 týdnů zmrazená při teplotě kapalného dusíku . Hlístice Trichostrongylus colubriformis a Panagrolaimus davidi také snášejí teploty pod 0˚C. Mnoho druhů plazů a obojživelníků přežije zmrazení. Úplnou diskuzi najdete v kryobiologii .

Lidské gamety a 2-, 4- a 8buněčná embrya mohou přežít zmrazení a jsou životaschopné až 10 let. Tato vlastnost se využívá při kryokonzervaci .

Experimentální pokusy zmrazit lidi pro pozdější znovuzrození jsou zkoumány v rámci vědy cryonics .

Konzervace potravin

Zmrazování je běžná metoda konzervace potravin , která zpomaluje rozklad potravin i růst mikroorganismů . Kromě vlivu nižších teplot na rychlost reakce zmrazování činí vodu méně dostupnou pro růst bakterií .

Poznámky

  1. ↑ International Dictionary of Refrigeration, http://dictionary.iifiir.org/search.php Archivováno 1. října 2019 na Wayback Machine
  2. ↑ ASHRAE Terminology, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology Archivováno 1. června 2019 na Wayback Machine
  3. ↑ Vše o agaru . sciencebuddies.org. Získáno 27. dubna 2011. Archivováno z originálu 3. června 2011.
  4. ↑ Lundheim R. Fyziologický a ekologický význam biologických ledových nukleátorů  // Philosophical  Transactions of the Royal Society B  : journal. - 2002. - Sv. 357 , č.p. 1423 . - S. 937-943 . - doi : 10.1098/rstb.2002.1082 . — PMID 12171657 .
  5. ↑ Franks F. Nukleace ledu a jeho management v ekosystémech  // Philosophical  Transactions of the Royal Society A : deník. - 2003. - Sv. 361 , č.p. 1804 . - str. 557-574 . doi : 10.1098 / rsta.2002.1141 . - . — PMID 12662454 .
  6. ↑ CA; Jeffery. Homogenní nukleace podchlazené vody: Výsledky nové stavové rovnice  //  Journal of Geophysical Research : deník. - Listopad 1997. - Sv. 102 , č. D21 . - S. 25269-25280 . - doi : 10.1029/97JD02243 . - .
  7. ↑ Co je to exotermická reakce? Archivováno 25. dubna 2020 na Wayback Machine Scientific American , 1999
  8. ↑ Atkins, Peter & Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4. ed.), WH Freeman and Company, str. 236, ISBN 0-7167-7355-4 
  9. ↑ Ott, J. Bevan & Boerio-Goates, Juliana (2000), Chemická termodynamika: pokročilé aplikace , Academic Press, ISBN 0-12-530985-6 
  10. ↑ Nukleace ledu vyvolaná Pseudomonas syringae  (neopr.)  // Aplikovaná mikrobiologie. - 1974. - T. 28 , č. 3 . - S. 456-459 . — PMID 4371331 .
  11. ↑ Nukleace a antinukleace ledu v přírodě  (neopr.)  // Kryobiologie. - 2000. - T. 41 , č. 4 . - S. 257-279 . doi : 10.1006 / cryo.2000.2289 . — PMID 11222024 .

Odkazy

  Přejděte na položku Wikidata  Slovníky a encyklopedie
V bibliografických katalozích