凝固

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凝固是指在溫度降低時,物質由液態變為固態的過程,物質凝固時的溫度稱為凝固點。目前已知的液體幾乎都可以在低溫時凝固成為固體,是唯一的例外,常壓下在絕對零度時仍為液體(液態氦),需加壓才能凝固為固體[1]

大多數的物質其凝固點和熔點溫度相同。但有些物質的凝固點和熔點會不一様。例如洋菜膠有熱遲滯現象:在85 °C會熔化,而凝固點在31 °C至40 °C之間。

結晶[编辑]

許多液體在凝固時會結晶,形成晶体的固體。結晶的過程是一階的熱力學相變化,在液態固態共存的期間,系統的平衡溫度不變,等於凝固點。結晶主要包括二個現象:成核晶体生长。成核是指分子開始聚集形成晶核,在奈米尺度以已定義的週期形式排列,其排列方式決定了晶体结构。晶体生长就是晶體持續的變大,最後到達晶核的臨界大小。

過冷[编辑]

過冷的水迅速形成冰塊

過冷是指液體低於熔點而沒有凝固的現象。

因為勻相核化結晶英语homogeneous nucleation的活化能,純液體的結晶一般會在略低於熔點時開始。晶核的形成也表示形成新相和液體之間的相介面,此過程會消耗能量,能量大小依其表面能而定,假如要形成的晶核太小,形成晶核產生的能量無法形成介面,就不會開始成核的現象。一直要到溫度夠低,可以產生穩定的晶核,才會開始凝固。若容器的表面有不規則,或是有固體或氣體的雜質,已經形成的固體結晶,或是存在成核劑或是振動,就可能會有非勻相核化結晶,其中一些相介面的破壞會釋出能量,使得過冷點接近或等於熔點。

水在一大氣壓下的熔點很接近0 ℃,若在存在成核劑的情形下,其凝固點會很接近熔點,但若沒有成核劑時,水在0 ℃以下就會出現過冷的現象,一直要到−40 ℃才會形成固體[2][3]。若是在2,000大氣壓的高壓下,水在−70 ℃之前都是處於過冷的狀態[4]

放熱反應[编辑]

凝固過程中多半會放熱,也就是說當液體相變成固體時,會釋放壓力和能量能,這部份有些違反直覺[5],因為除了過冷液體外,液體在凝固時溫體不會上昇,但若無法持續的將能量由液體中移出,凝固過程就會停止。凝固釋放的能量為潛熱,一般稱為熔化熱,也等於等量固體在熔化時需要的能量。

低溫的是已知唯一凝固時不會放熱的物質[6]氦3在0.3K以下有負的熔化熱,氦4在0.8K以下有相當輕微的負熔化熱,這表示在特定的壓力下,需要提供熱量才能使氦凝固[7]

玻璃轉化[编辑]

玻璃甘油等物質會在沒有結晶的情形下凝固,這稱為无定形体,无定形体也包括一些沒有凝固點的聚合物,沒有在某一特定溫度下有突然的相變化,其粘弹性的特性是在一個溫度範圍內漸漸變化。這類物質有一性質稱為玻璃转化温度,大約可以定義為物質的密度和溫度圖出現明顯斜率變化的「膝點」。因為玻璃轉化是一個非平衡的過程,在晶相和液相之間未達到平衡狀態,一般不視為凝固

低溫下對生物體的影響[编辑]

許多生物可以長期忍受攝氏零度以下低溫。大部份生物會累積如抗凍蛋白、多元醇,葡萄糖等抗凍劑以避免體內的水結凍。大部份植物其至可以生存在−4 °C至−12 °C的低溫。

假单胞杆菌英语Pseudomonas syringae等細菌會產生特殊的蛋白質作為成核劑來,使得水果和植物表面在約−2 °C時結冰[8],結凍會使得表皮組織受傷,使細菌可以得到中下層植物組織中的養份[9]

細菌[编辑]

在冰凍上千年的冰塊中分別有發現存活的更新世肉食杆菌英语Carnobacterium pleistocenium[10]格陵蘭金黃桿菌英语Chryseobacterium greenlandensis及Herminiimonas glaciei[11]

植物[编辑]

植物有一個稱為健化英语Hardening (botany)的過程,可以使植物在零度以下存活數週到數個月[12]

動物[编辑]

捻转血矛线虫可以在液態氮中存活44週。其他可以在0 °C以下存活的线虫包括Trichostrongylus colubriformis及Panagrolaimus davidi。許多爬蟲類兩棲類動物可以忍受0 °C以下的低溫。

人類的配子以及2,4,8個細胞的胚胎可以在冰凍條件下生存到十年,此程序稱為深低溫保存

人體冷凍技術是一種試驗中的醫學技術,把人體在極低溫的情況下冷藏保存,並希望在未來通過先進的醫療科技使他們解凍後復活及治療。

食物保存[编辑]

冷凍也是一種常見的食物保存法,可以減緩食物腐壞的速度以及微生物生長的速度。除了低溫時化學反應速率變慢外,冷凍時也可以減少細菌生長所需要的液態水。

参见[编辑]

相關條目[编辑]

  1. ^ 多用途的氣體—氦氣. 科學月刊. [2014-02-18]. 
  2. ^ Lundheim R. Physiological and ecological significance of biological ice nucleators. Philosophical Transactions of the Royal Society B. 2002, 357 (1423): 937–943. doi:10.1098/rstb.2002.1082. PMC 1693005. PMID 12171657. 
  3. ^ Franks F. Nucleation of ice and its management in ecosystems (PDF). Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2003, 361 (1804): 557–574. Bibcode:2003RSPTA.361..557F. doi:10.1098/rsta.2002.1141. PMID 12662454. 
  4. ^ Jeffery, CA; Austin, PH. Homogeneous nucleation of supercooled water: Results from a new equation of state. Journal of Geophysical Research. November 1997, 102 (D21): 25269–25280. Bibcode:1997JGR...10225269J. doi:10.1029/97JD02243. 
  5. ^ What is an exothermic reaction? Scientific American, 1999
  6. ^ Atkins, Peter; Jones, Loretta, Chemical Principles: The Quest for Insight 4th, W. H. Freeman and Company, 236, 2008, ISBN 0-7167-7355-4 
  7. ^ Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana, Chemical Thermodynamics: Advanced Applications, Academic Press, 92–93, 2000, ISBN 0-12-530985-6 
  8. ^ Maki LR, Galyan EL, Chang-Chien MM, Caldwell DR. Ice nucleation induced by pseudomonas syringae. Applied Microbiology. 1974, 28 (3): 456–459. PMC 186742. PMID 4371331. 
  9. ^ Zachariassen KE, Kristiansen E. Ice nucleation and antinucleation in nature. Cryobiology. 2000, 41 (4): 257–279. doi:10.1006/cryo.2000.2289. PMID 11222024. 
  10. ^ 地球凍土層3萬年細菌仍存活 火星生命可能性增加. 華翼網. 2005-02-25 [2014-02-18]. 
  11. ^ 极端条件下的生命. 華夏地理雜誌. 2009-06-26 [2014-02-18]. 
  12. ^ 溫度. 教育部 數位教學資源入口網. [2014-02-18].