Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Сұйықтың қатты денеге фазалық ауысуы
Phase transition of liquid to solid
Тоңазу – температурасы тоңазу нүктесінен төмен түскен кезде сұйықтың қатты денеге айналатын фазалық ауысу. Халықаралық деңгейде қабылданған анықтамаға сәйкес, тоңазу – сұйықтың немесе заттың құрамындағы сұйықтықтың қатаю фазалық өзгерісі, көбінесе салқындату нәтижесінде жүзеге асады. Көптеген заттар үшін балқу және тоңазу нүктелері бірдей температурада болады; алайда, кейбір заттарда қатты күйге және сұйық күйге өту температуралары әртүрлі болады. Мысалы, агар балқу және тоңазу нүктелерінде гистерезис көрсетеді. Ол 85 °C-та (185 °F) еруге бастайды және 32 °C-тан 40 °C-қа (89,6 °F-тан 104 °F-қа) дейін қатаяды.
Freezing is a phase transition where a liquid turns into a solid when its temperature is lowered below its freezing point. In accordance with the internationally established definition, freezing means the solidification phase change of a liquid or the liquid content of a substance, usually due to cooling. For most substances, the melting and freezing points are the same temperature; however, certain substances possess differing solid liquid transition temperatures. For example, agar displays a hysteresis in its melting point and freezing point. It melts at 85 °C (185 °F) and solidifies from 32 °C to 40 °C (89.6 °F to 104 °F).
Кристалдану
Сұйықтықтардың көпшілігі кристалдану арқылы қатып қалады, яғни біркелкі сұйықтықтан кристалды қатты зат пайда болады. Бұл – бірінші реттік термодинамикалық фазалық өту, яғни қатты және сұйық бірге болатын кезде, жүйенің температурасы ауамен жанасқанда жылудың баяу кетіп қалуынан балқу температурасына жақын қалады, себебі ауа нашар жылуөткізгіш. Қатудың жасырын жылуының арқасында мұздану баяу жүреді және мұздану басталғанда температура біржола төмендемейді, ал мұздану аяқталғаннан кейін төмендей бастайды. Кристалдану екі негізгі құбылыстан тұрады: нуклеация және кристаллдың өсуі. "Нуклеация" – молекулалардың нанометрлік деңгейде белгілі бір ретпен және периодты түрде орналасып, кластерлерге жинала бастайтын кезеңі, бұл кристалл құрылымын анықтайды. "Кристаллдың өсуі" – сындық кластерлік өлшемге жеткен ядролардың кейінгі дамуы.
Most liquids freeze by crystallization, formation of crystalline solid from the uniform liquid. This is a first order thermodynamic phase transition, which means that as long as solid and liquid coexist, the temperature of the whole system remains very nearly equal to the melting point due to the slow removal of heat when in contact with air, which is a poor heat conductor. Because of the latent heat of fusion, the freezing is greatly slowed and the temperature will not drop anymore once the freezing starts but will continue dropping once it finishes. Crystallization consists of two major events, nucleation and crystal growth. "Nucleation" is the step wherein the molecules start to gather into clusters, on the nanometer scale, arranging in a defined and periodic manner that defines the crystal structure. "Crystal growth" is the subsequent growth of the nuclei that succeed in achieving the critical cluster size.
Супер салқындату
Термодинамиканың екінші заңына қарамастан, таза сұйықтықтардың кристалдануы көбінесе біртекті нуклеацияның жоғары белсенділік энергиясына байланысты балқу температурасынан төмен температурада басталады. Ядроның пайда болуы жаңа фаза шекарасында интерфейс қалыптасуын білдіреді. Бұл интерфейсті қалыптастыру үшін әр фазаның беттік энергиясына байланысты белгілі бір энергия жұмсалады. Егер гипотетикалық ядро тым кішкентай болса, оның көлемін қалыптастыру арқылы босатылатын энергия оның бетін жасауға жеткіліксіз болады, сондықтан нуклеация жүрмейді. Қатып қалу температурасы тұрақты ядроларды қалыптастыруға жеткілікті энергия беретіндей төмен температураға дейін басталмайды. Егер ыдыс қабырғасындағы кемшіліктер, қатты немесе газ тәрізді қоспалар, алдын ала қалыптасқан қатты кристалдар немесе басқа нуклеаторлар болса, гетерогенді нуклеация жүруі мүмкін. Бұл жағдайда бұрынғы интерфейстің ішінара бұзылуынан энергия босатылады, нәтижесінде суыту температурасы балқу температурасына жақын немесе тең болады. 1 атмосфера қысымда судың балқу температурасы 0 °C (32 °F, 273,15 K) шамасына өте жақын, ал нуклеациялық заттардың болуы судың қату температурасын балқу температурасына жақындатады. Алайда, нуклеаторлар болмаған жағдайда су қатудан бұрын қатты суынуы мүмкін. Жоғары қысымда (2000 атмосфера) су қатуға дейін қатты суып, төмендейді.
In spite of the second law of thermodynamics, crystallization of pure liquids usually begins at a lower temperature than the melting point, due to high activation energy of homogeneous nucleation. The creation of a nucleus implies the formation of an interface at the boundaries of the new phase. Some energy is expended to form this interface, based on the surface energy of each phase. If a hypothetical nucleus is too small, the energy that would be released by forming its volume is not enough to create its surface, and nucleation does not proceed. Freezing does not start until the temperature is low enough to provide enough energy to form stable nuclei. In presence of irregularities on the surface of the containing vessel, solid or gaseous impurities, pre formed solid crystals, or other nucleators, heterogeneous nucleation may occur, where some energy is released by the partial destruction of the previous interface, raising the supercooling point to be near or equal to the melting point. The melting point of water at 1 atmosphere of pressure is very close to 0 °C (32 °F, 273.15 K), and in the presence of nucleating substances the freezing point of water is close to the melting point, but in the absence of nucleators water can supercool to before freezing. Under high pressure (2,000 atmospheres) water will supercool to as low as before freezing.
Экзотермиялық
Мұздату процесі көбінесе экзотермиялық болып келеді, яғни сұйықтық қатты күйге өткеде жылу мен қысым бөлінеді. Бұл көбінесе интуицияға қайшы келеді, себебі мұздату кезінде материалдың температурасы көтерілмейді, егер сұйық аса салқындатылмаған болса. Бірақ мұны түсінуге болады, өйткені тоңазытқыш сұйықтан жылу үнемі алынып отыруы керек, әйтпесе мұздату процесі тоқтайды. Мұздату кезінде бөлінетін энергия – жасырын жылу деп аталады, және ол балқу энтальпиясы деп танылады, ол сол мөлшердегі қатты затты балқытуға жұмсалатын энергиямен толыққандай сәйкес келеді. Төмен температурадағы гелий – жалпы ережеден белгілі жалғыз ерекшелік. Гелий-3 0,3 К төмен температурада теріс балқу энтальпиясына ие. Гелий-4 де 0,8 К төмен температурада өте аз теріс балқу энтальпиясына ие. Бұл дегеніміз, тиісті тұрақты қысымда оларды мұздату үшін осы заттарға жылу қосу қажет.
Freezing is almost always an exothermic process, meaning that as liquid changes into solid, heat and pressure are released. This is often seen as counter intuitive, since the temperature of the material does not rise during freezing, except if the liquid were supercooled. But this can be understood since heat must be continually removed from the freezing liquid or the freezing process will stop. The energy released upon freezing is a latent heat, and is known as the enthalpy of fusion and is exactly the same as the energy required to melt the same amount of the solid. Low temperature helium is the only known exception to the general rule. Helium 3 has a negative enthalpy of fusion at temperatures below 0.3 K. Helium 4 also has a very slightly negative enthalpy of fusion below 0.8 K. This means that, at appropriate constant pressures, heat must be added to these substances in order to freeze them.
Стеклендіру
Кейбір материалдар, мысалы шыны және глицерин, кристалданусыз қатайып кетуі мүмкін; мұндайларын аморфты қатты денелер деп атайды. Аморфты материалдар, сондай-ақ кейбір полимерлер, белгілі бір температурада күрт фазалық өзгеріс болмағандықтан, қату температурасына ие емес. Олардың вискоэластикалық қасиеттері температураның белгілі бір диапазонында біртіндеп өзгереді. Мұндай материалдар шыны тәріздес күйге өту температурасында болатын шыны тәріздес күйге өтумен сипатталады, оны материалдың тығыздығы мен температура графигіндегі "қисық" нүктесі деп шартты түрде анықтауға болады. Витрификация тепе-теңдік процесі болмағандықтан, ол қату болып саналмайды, себебі қату үшін кристалдық және сұйық күйлер арасында тепе-теңдік болуы керек.
Certain materials, such as glass and glycerol, may harden without crystallizing; these are called amorphous solids. Amorphous materials, as well as some polymers, do not have a freezing point, as there is no abrupt phase change at any specific temperature. Instead, there is a gradual change in their viscoelastic properties over a range of temperatures. Such materials are characterized by a glass transition that occurs at a glass transition temperature, which may be roughly defined as the "knee" point of the material's density vs. temperature graph. Because vitrification is a non equilibrium process, it does not qualify as freezing, which requires an equilibrium between the crystalline and liquid state.
Тамақтарды консервілеу
Мұздату – тамақтардың шіруін және микроорганизмдердің өсуін баяулататын, тамақ сақтаудың кең таралған әдісі. Төмен температураның реакция жылдамдығына тигізетін әсерінен өзге, мұздату бактериялардың өсуі үшін қолжетімді су мөлшерін азайтады. Мұздату – тағамды сақтаудың ең көне және ең көп қолданылатын әдістерінің бірі; 1842 жылдан бері мұз бен тұз ерітіндісін пайдаланып мұздату қолданылып келеді. Мұздату кезінде дәм, иіс және қоректік құндылығы көбінесе өзгеріссіз қалады. Механикалық салқындату технологиясы енгізілгеннен кейін мұздату коммерциялық мағынада қолданысқа түсті. Көптеген тағамдарды ұзақ мерзімге сақтау үшін мұздату сәтті қолданылады, бұл өнімнің сақталу мерзімін едәуір ұзартады. Мұздату арқылы сақтау, сезімдік және қоректік қасиеттерін сақтау тұрғысынан консервілеу және кептіруден артық деп есептеледі.
Freezing is a common method of food preservation that slows both food decay and the growth of micro organisms. Besides the effect of lower temperatures on reaction rates, freezing makes water less available for bacteria growth. Freezing is one of the oldest and most widely used methods of food preservation; since as long ago as 1842, freezing has been used in an ice and salt brine. In freezing, flavours, smell and nutritional content generally remain unchanged. Freezing became commercially applicable after the advent (introduction) of mechanical refrigeration. Freezing has been successfully employed for long term preservation of many foods providing a significantly extended shelf life. Freezing preservation is generally regarded as superior to canning and dehydration with respect to retention in sensory attributes and nutritive attributes.