Mržnjenje
Mržnjenje ili očvršćavanje je fizički proces u kome se materija iz tečnog stanja pretvara u čvrsto agregatno stanje.[1][2] Do ove pojave dolazi hlađenjem tečnosti do temperature mržnjenja. Topljenje je obrnut proces u kom se čvrsto telo pretvara u tečnost. Sve poznate tečnosti, sa izuzetkom tečnog helijuma, mogu se hlađenjem prevesti u čvrsto stanje. Za većinu supstanci tačke topljenja i mržnjenja su na istoj temperaturi, dok se za manji broj njih ove temperature razlikuju. Ova pojava se naziva histerezis. Recimo, agar se topi na 85°C, a mrzne se na 31°C do 40°C.
Temperatura supstance ostaje nepromenjena sve dok se ne izvrši potpun fazni prelaz u čvrsto stanje. Pri mržnjenju telo predaje toplotnu energiju okolini, iako se njegova temperatura ne menja. Ako se ovaj transfer toplote spreči mržnjenje se zaustavlja. Ova odvedena toplota se naziva latentna toplota. Sličan, ali obrnut termodinamički proces se odvija prilikom topljenja.
Većina tečnosti se mrznu kristalizacijom. Ona se sastoji iz faze formiranja nukleusa i faze njegovog rasta.
Neke materije, kao što su staklo i glicerol, mrznu se bez kristalizacije. One se nazivaju amorfna čvrsta tela. Njihov prelaz u čvrsto stanje je postepen i odvija se u izvesnom temperaturnom opsegu. Prelaz ovakvih materijala u čvrsto stanje naziva se vitrifikacija.
Za većinu supstanci, tačke topljenja i smrzavanja su iste temperature; međutim, pojedine supstance poseduju različite temperature prelaza čvrsto-tečnost. Na primer, agar pokazuje histerezu u tački topljenja i tački smrzavanja. Topi se na 85 °C (185 °F) i očvršćava od 32°C do 40°C (89,6 °F do 104 °F).[3]
Kristalizacija
[uredi | uredi izvor]Kristalizacija se sastoji od dva glavna događaja, nukleacije i rasta kristala. Nukleacija je korak u kome molekuli počinju da se okupljaju u klastere, na nanometarskoj skali, ređajući se na definisan i periodičan način koji definiše kristalnu strukturu. Rast kristala je naknadni rast jezgara koja uspevaju da postignu kritičnu veličinu klastera. Termodinamika smrzavanja i topljenja je klasična disciplina u okviru fizičke hemije,[4] koja se danas razvija u sprezi sa kompjuterskim simulacijama.[5]
Pothlađivanje
[uredi | uredi izvor]Uprkos drugom zakonu termodinamike, kristalizacija čistih tečnosti obično počinje na nižoj temperaturi od tačke topljenja, zbog velike energije aktivacije homogene nukleacije. Stvaranje jezgra podrazumeva formiranje interfejsa na granicama nove faze. Nešto energije se troši na formiranje ovog interfejsa, na osnovu površinske energije svake faze. Ako je hipotetičko jezgro premalo, energija koja bi se oslobodila formiranjem njegove zapremine nije dovoljna da stvori njegovu površinu i nukleacija se ne nastavlja. Zamrzavanje ne počinje sve dok temperatura nije dovoljno niska da obezbedi dovoljno energije za formiranje stabilnih jezgara. U prisustvu nepravilnosti na površini posude koja sadrži, čvrste ili gasovite nečistoće, prethodno formirane čvrste kristale ili druge nukleatore, može doći do heterogene nukleacije, gde se deo energije oslobađa delimičnim uništavanjem prethodnog interfejsa, podižući tačku prehlađenja. da budu blizu ili jednake tački topljenja. Tačka topljenja vode pri pritisku od 1 atmosfere je veoma blizu 0 °C (32 °F, 273.15 K), a u prisustvu nukleirajućih supstanci tačka smrzavanja vode je blizu tačke topljenja, ali u odsustvu nukleatora voda može da se ohladi do −40 °C (−40 °F; 233 K) pre zamrzavanja.[6][7] Pod visokim pritiskom (2.000 atmosfera) voda će se ohladiti na čak −70 °C (−94 °F; 203 K) pre smrzavanja.[8]
Egzotermnost
[uredi | uredi izvor]Zamrzavanje je skoro uvek egzotermni proces, što znači da se kako tečnost prelazi u čvrsto stanje oslobađaja toplota i raste pritisak. Ovo se često smatra kontraintuitivnim,[9] pošto temperatura materijala ne raste tokom zamrzavanja, osim ako je tečnost prehlađena. Ali ovo se može razumeti jer se toplota mora neprekidno uklanjati iz tečnosti koja se smrzava ili će proces zamrzavanja prestati. Energija koja se oslobađa pri zamrzavanju je latentna toplota i poznata je kao entalpija fuzije i potpuno je ista kao energija potrebna za topljenje iste količine čvrste materije.
Niskotemperaturni helijum je jedini poznati izuzetak od opšteg pravila.[10] Helijum-3 ima negativnu entalpiju fuzije na temperaturama ispod 0,3 K. Helijum-4 takođe ima vrlo malo negativnu entalpiju fuzije ispod 0,8 K. To znači da se, pri odgovarajućim konstantnim pritiscima, ovim supstancama mora dodati toplota kako bi se zamrznule.[11]
Vitrifikacija
[uredi | uredi izvor]Određeni materijali, kao što su staklo i glicerol, mogu se stvrdnuti bez kristalizacije; oni se nazivaju amorfnim čvrstim materijama. Amorfni materijali, kao i neki polimeri, nemaju tačku smrzavanja, jer nema nagle promene faze na bilo kojoj specifičnoj temperaturi. Umesto toga, dolazi do postepene promene u njihovim viskoelastičnim svojstvima u rasponu temperatura. Takve materijale karakteriše staklena tranzicija koja se javlja na temperaturi staklene tranzicije, koja se može grubo definisati kao „prelomna” tačka na grafikonu gustine materijala u odnosu na temperaturu. Pošto je vitrifikacija neravnotežan proces, ona se ne kvalifikuje kao zamrzavanje, što zahteva ravnotežu između kristalnog i tečnog stanja.
Smrzavanje živih organizama
[uredi | uredi izvor]Mnogi živi organizmi su u stanju da tolerišu duže vremenske periode na temperaturama ispod tačke smrzavanja vode. Većina živih organizama akumulira krioprotektante kao što su proteini protiv nukleacije, polioli i glukoza da bi se zaštitili od oštećenja od mraza oštrim kristalima leda. Većina biljaka, posebno, može bezbedno da dostigne temperature od −4 °C to −12 °C. Određene bakterije, posebno Pseudomonas syringae, proizvode specijalizovane proteine koji služe kao moćni nukleatori leda, koje koriste za stvaranje leda na površini različitog voća i biljaka na oko −2 °C.[12] Zamrzavanje uzrokuje povrede epitela i čini hranljive materije u osnovnim biljnim tkivima dostupnim bakterijama.[13]
Bakterije
[uredi | uredi izvor]Tri vrste bakterija, Carnobacterium pleistocenium, kao i Chryseobacterium greenlandensis i Herminiimonas glaciei, navodno su bile oživljene nakon što su hiljadama godina preživele zamrznute u ledu.
Biljke
[uredi | uredi izvor]Mnoge biljke prolaze kroz proces koji se zove očvršćavanje, što im omogućava da prežive temperature ispod 0 °C nedeljama ili mesecima.
Životinje
[uredi | uredi izvor]Nematoda Haemonchus contortus može da preživi 44 nedelje zamrznuta na temperaturama tečnog azota. Druge nematode koje preživljavaju na temperaturama ispod 0 °C uključuju Trichostrongylus colubriformis i Panagrolaimus davidi. Mnoge vrste gmizavaca i vodozemaca preživljavaju smrzavanje. Pogledajte kriobiologiju za potpunu diskusiju.
Ljudske gameti i 2-, 4- i 8-ćelijski embrioni mogu preživeti zamrzavanje i održivi su do 10 godina, što je proces poznat kao krioprezervacija.
Eksperimentalni pokušaji da se ljudska bića zamrznu radi kasnijeg oživljavanja poznati su kao krionika.
Očuvanje hrane
[uredi | uredi izvor]Zamrzavanje je uobičajena metoda čuvanja hrane koja usporava i raspadanje hrane i razviće mikroorganizama. Pored uticaja nižih temperatura na brzinu reakcije, smrzavanje čini vodu manje dostupnom za razviće bakterija. Zamrzavanje je jedan od najstarijih i najčešće korišćenih metoda čuvanja hrane još od 1842. godine, zamrzavanje je u velikoj meri korišćeno u salamuri od leda i soli. Prilikom zamrzavanja, ukusi, mirisi i nutritivni sadržaj uglavnom ostaju nepromenjeni. Zamrzavanje je postalo komercijalno primenljivo nakon pojave (uvođenja) mehaničkog hlađenja. Zamrzavanje se uspešno koristi za dugotrajno čuvanje mnogih namirnica koje obezbeđuju značajno produženi rok trajanja. Konzerviranje zamrzavanjem se generalno smatra boljim od konzerviranja i dehidracije u pogledu zadržavanja senzornih i nutritivnih svojstava.
Vidi još
[uredi | uredi izvor]Reference
[uredi | uredi izvor]- ^ International Dictionary of Refrigeration
- ^ ASHRAE Terminology
- ^ „All About Agar”. Sciencebuddies.org. Arhivirano iz originala 2011-06-03. g. Pristupljeno 2011-04-27.
- ^ Atkins PW (2017). Elements of physical chemistry. ISBN 978-0-19-879670-1. OCLC 982685277.
- ^ Pedersen UR, Costigliola L, Bailey NP, Schrøder TB, Dyre JC (avgust 2016). „Thermodynamics of freezing and melting”. Nature Communications. 7 (1): 12386. Bibcode:2016NatCo...712386P. PMC 4992064
. PMID 27530064. doi:10.1038/ncomms12386.
- ^ Lundheim R (jul 2002). „Physiological and ecological significance of biological ice nucleators”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 357 (1423): 937—43. PMC 1693005 . PMID 12171657. doi:10.1098/rstb.2002.1082.
- ^ Franks F (mart 2003). „Nucleation of ice and its management in ecosystems” (PDF). Philosophical Transactions. Series A, Mathematical, Physical, and Engineering Sciences. 361 (1804): 557—74; discussion 574. Bibcode:2003RSPTA.361..557F. PMID 12662454. S2CID 25606767. doi:10.1098/rsta.2002.1141.
- ^ Jeffery CA, Austin PH (novembar 1997). „Homogeneous nucleation of supercooled water: Results from a new equation of state”. Journal of Geophysical Research. 102 (D21): 25269—25280. Bibcode:1997JGR...10225269J. CiteSeerX 10.1.1.9.3236 . doi:10.1029/97JD02243.
- ^ What is an exothermic reaction? Scientific American, 1999
- ^ Atkins, Peter; Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4th izd.), W. H. Freeman and Company, str. 236, ISBN 978-0-7167-7355-9
- ^ Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana (2000). Chemical Thermodynamics: Advanced Applications. Academic Press. str. 92–93. ISBN 0-12-530985-6.
- ^ Maki LR, Galyan EL, Chang-Chien MM, Caldwell DR (septembar 1974). „Ice nucleation induced by pseudomonas syringae”. Applied Microbiology. 28 (3): 456—9. PMC 186742 . PMID 4371331. doi:10.1128/aem.28.3.456-459.1974.
- ^ Zachariassen KE, Kristiansen E (decembar 2000). „Ice nucleation and antinucleation in nature”. Cryobiology. 41 (4): 257—79. PMID 11222024. doi:10.1006/cryo.2000.2289.
Literatura
[uredi | uredi izvor]- A. Mersmann, Crystallization Technology Handbook (2001) CRC; 2nd ed. ISBN 0-8247-0528-9
- Tine Arkenbout-de Vroome, Melt Crystallization Technology (1995) CRC ISBN 1-56676-181-6
- "Small Molecule Crystallization" (PDF) at Illinois Institute of Technology website
- Glynn P.D. and Reardon E.J. (1990) "Solid-solution aqueous-solution equilibria: thermodynamic theory and representation". Amer. J. Sci. 290, 164–201.
- Geankoplis, C.J. (2003) "Transport Processes and Separation Process Principles". 4th Ed. Prentice-Hall Inc.
- S.J. Jancic, P.A.M. Grootscholten: “Industrial Crystallization”, Textbook, Delft University Press and Reidel Publishing Company, Delft, The Netherlands, 1984.
- Giovambattista, N.; Angell, C. A.; Sciortino, F.; Stanley, H. E. (jul 2004). „Glass-Transition Temperature of Water: A Simulation Study” (PDF). Physical Review Letters. 93 (4): 047801. Bibcode:2004PhRvL..93d7801G. PMID 15323794. S2CID 8311857. arXiv:cond-mat/0403133 . doi:10.1103/PhysRevLett.93.047801.
- Rogerson, M. A.; Cardoso, S. S. S. (april 2004). „Solidification in heat packs: III. Metallic trigger”. AIChE Journal. 49 (2): 522—529. doi:10.1002/aic.690490222. Arhivirano iz originala 2012-12-09. g.
- O. Gomes, Gabriel; Stanley, H. Eugene; Souza, Mariano de (2019-08-19). „Enhanced Grüneisen Parameter in Supercooled Water”. Scientific Reports (na jeziku: engleski). 9 (1): 12006. Bibcode:2019NatSR...912006O. ISSN 2045-2322. PMC 6700159 . PMID 31427698. arXiv:1808.00536 . doi:10.1038/s41598-019-48353-4.
- Rathz, Tom. „Undercooling”. NASA. Arhivirano iz originala 2009-12-02. g. Pristupljeno 2010-01-12.
- Moore, Emily; Valeria Molinero (24. 11. 2011). „structural transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice”. Nature. 479 (7374): 506—508. Bibcode:2011Natur.479..506M. PMID 22113691. S2CID 1784703. arXiv:1107.1622 . doi:10.1038/nature10586.
- Debenedetti, P. G.; Stanley, H. E. (2003). „Supercooled and Glassy Water” (PDF). Physics Today. 56 (6): 40–46 [p. 42]. Bibcode:2003PhT....56f..40D. doi:10.1063/1.1595053.
- Angell, C. Austen (2008). „Insights into Phases of Liquid Water from Study of Its Unusual Glass-Forming Properties”. Science. 319 (5863): 582—587. PMID 18239117. S2CID 9860383. doi:10.1126/science.1131939.
- Ramsay, J. A. (1949). „A new method of freezing-point determination for small quantities” (PDF). J. Exp. Biol. 26 (1): 57—64. PMID 15406812. doi:10.1242/jeb.26.1.57.
Spoljašnje veze
[uredi | uredi izvor]
- Video of an intermetallic compound solidifying/freezing Arhivirano na sajtu Wayback Machine (10. decembar 2015)
