Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Фазовый переход из жидкого состояния в твердое
Phase transition of liquid to solid
Замерзание — это фазовый переход, при котором жидкость превращается в твердое вещество при понижении температуры ниже температуры замерзания. В соответствии с международно принятым определением, замерзание означает фазовое изменение, приводящее к затвердеванию жидкости или жидкой составляющей вещества, как правило, вследствие охлаждения. Для большинства веществ температура плавления и температура замерзания совпадают; однако некоторые вещества имеют различные температуры перехода из жидкого состояния в твердое. Например, агар демонстрирует гистерезис между температурой плавления и температурой замерзания. Он плавится при 85 °C (185 °F) и затвердевает в диапазоне от 32 °C до 40 °C (89,6 °F до 104 °F).
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).
Кристаллизация
Большинство жидкостей замерзают посредством кристаллизации – образования кристаллического твёрдого тела из однородной жидкости. Это фазовый переход первого рода в термодинамике, что означает, что пока твердая и жидкая фазы сосуществуют, температура всей системы остаётся практически постоянной на уровне температуры плавления из-за медленного отвода тепла при контакте с воздухом, который является плохим проводником тепла. Благодаря скрытой теплоте кристаллизации, замерзание значительно замедляется, и температура перестаёт понижаться после начала замерзания, но возобновляет падение после его завершения. Кристаллизация состоит из двух основных этапов: нуклеации и роста кристаллов. "Нуклеация" – это стадия, на которой молекулы начинают объединяться в кластеры нанометрового масштаба, упорядочиваясь в чёткую и периодическую структуру, определяющую кристаллическую решётку. "Рост кристаллов" – это последующее увеличение размеров ядер, достигших критического размера кластера.
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.
Суперохлаждение
Несмотря на второй закон термодинамики, кристаллизация чистых жидкостей обычно начинается при температуре ниже температуры плавления из-за высокой энергии активации однородного зародышеобразования. Образование зародыша подразумевает формирование границы раздела на границах новой фазы. Для формирования этой границы раздела расходуется некоторая энергия, зависящая от поверхностной энергии каждой фазы. Если гипотетический зародыш слишком мал, энергии, выделяющейся при образовании его объема, недостаточно для создания его поверхности, и зародышеобразование не происходит. Замерзание не начинается, пока температура не опустится достаточно низко, чтобы обеспечить достаточно энергии для образования стабильных зародышей. При наличии неровностей на поверхности сосуда, твердых или газообразных примесей, предварительно образованных твердых кристаллов или других нуклеаторов может происходить неоднородное зародышеобразование, при котором часть энергии высвобождается за счет частичного разрушения существующей границы раздела, что повышает температуру переохлаждения до значения, близкого или равного температуре плавления. Температура плавления воды при давлении 1 атмосфера очень близка к 0 °C (32 °F, 273,15 K), и в присутствии нуклеаторов температура замерзания воды приближается к температуре плавления, но в отсутствие нуклеаторов вода может переохлаждаться перед замерзанием. Под высоким давлением (2000 атмосфер) вода может переохлаждаться до температуры, предшествующей замерзанию.
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.
Экзотермичность
Замораживание почти всегда является экзотермическим процессом, то есть при переходе жидкости в твердое состояние выделяются тепло и давление. Это часто кажется нелогичным, поскольку температура материала не повышается при замерзании, за исключением случаев, когда жидкость переохлаждена. Однако это можно объяснить тем, что тепло необходимо постоянно отводить от замерзающей жидкости, иначе процесс замерзания прекратится. Энергия, выделяющаяся при замерзании, является скрытой теплотой, известной как энтальпия кристаллизации, и равна энергии, необходимой для плавления того же количества твердого вещества. Низкотемпературный гелий – единственное известное исключение из этого общего правила. Гелий-3 имеет отрицательную энтальпию кристаллизации при температурах ниже 0,3 К. Гелий-4 также имеет очень незначительную отрицательную энтальпию кристаллизации ниже 0,8 К. Это означает, что при определенных постоянных давлениях для замерзания этих веществ необходимо подводить тепло.
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.
Стекление
Некоторые материалы, такие как стекло и глицерин, могут затвердевать, не кристаллизуясь; они называются аморфными твердыми телами. Аморфные материалы, а также некоторые полимеры, не имеют четкой точки замерзания, поскольку при какой-либо конкретной температуре не происходит резкого фазового перехода. Вместо этого их вязкоупругие свойства постепенно изменяются в определенном диапазоне температур. Такие материалы характеризуются стеклованием, которое происходит при температуре стеклования, которую можно приблизительно определить как точку перегиба на графике зависимости плотности материала от температуры. Поскольку стеклование – это неравновесный процесс, оно не может считаться замерзанием, которое требует установления равновесия между кристаллическим и жидким состояниями.
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.
Консервирование пищевых продуктов
Замораживание – это распространенный метод сохранения продуктов питания, замедляющий как порчу продуктов, так и рост микроорганизмов. Помимо влияния низких температур на скорость реакций, замораживание уменьшает доступность воды для роста бактерий. Замораживание – один из старейших и наиболее широко используемых методов консервирования; еще в 1842 году для замораживания применялся рассол из льда и соли. При замораживании вкусовые качества, аромат и питательная ценность обычно сохраняются. Коммерческое применение замораживания стало возможным после изобретения механического охлаждения. Замораживание успешно применяется для длительного хранения многих продуктов, значительно увеличивая срок их годности. Консервирование замораживанием обычно считается более предпочтительным, чем консервирование и сушка, с точки зрения сохранения органолептических и питательных свойств.
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.