凝固

维基百科,自由的百科全书
跳到导航 跳到搜索

凝固是指在温度降低时,物质由液态变为固态的过程,物质凝固时的温度称为凝固点。目前已知的液体几乎都可以在低温时凝固成为固体,是唯一的例外,常压下在绝对零度时仍为液体(液态氦),需加压才能凝固为固体[1]

大多数的物质其凝固点熔点温度相同。但有些物质的凝固点和熔点会不一様。例如洋菜胶有热迟滞现象:在85 °C会熔化,而凝固点在31 °C至40 °C之间。

结晶[编辑]

许多液体在凝固时会结晶,形成晶体的固体。结晶的过程是一阶的热力学相变化,在液态固态共存的期间,系统的平衡温度不变,等于凝固点。结晶主要包括二个现象:成核晶体生长。成核是指分子开始聚集形成晶核,在奈米尺度以已定义的周期形式排列,其排列方式决定了晶体结构。晶体生长就是晶体持续的变大,最后到达晶核的临界大小。

过冷[编辑]

过冷的水迅速形成冰块

过冷是指液体低于熔点而没有凝固的现象。

因为匀相核化结晶英语homogeneous nucleation的活化能,纯液体的结晶一般会在略低于熔点时开始。晶核的形成也表示形成新相和液体之间的相介面,此过程会消耗能量,能量大小依其表面能而定,假如要形成的晶核太小,形成晶核产生的能量无法形成介面,就不会开始成核的现象。一直要到温度够低,可以产生稳定的晶核,才会开始凝固。若容器的表面有不规则,或是有固体或气体的杂质,已经形成的固体结晶,或是存在成核剂或是振动,就可能会有非匀相核化结晶,其中一些相介面的破坏会释出能量,使得过冷点接近或等于熔点。

水在一大气压下的熔点很接近0 ℃,若在存在成核剂的情形下,其凝固点会很接近熔点,但若没有成核剂时,水在0 ℃以下就会出现过冷的现象,一直要到−40 ℃才会形成固体[2][3]。若是在2,000大气压的高压下,水在−70 ℃之前都是处于过冷的状态[4]

放热反应[编辑]

凝固过程中多半会放热,也就是说当液体相变成固体时,会释放压力和能量,这部份有些违反直觉[5],因为除了过冷液体外,液体在凝固时温体不会上升,但若无法持续的将能量由液体中移出,凝固过程就会停止。凝固释放的能量为潜热,一般称为熔化热,也等于等量固体在熔化时需要的能量。

低温的是已知唯一凝固时不会放热的物质[6]氦3在0.3K以下有负的熔化热,氦4在0.8K以下有相当轻微的负熔化热,这表示在特定的压力下,需要提供热量才能使氦凝固[7]

玻璃转化[编辑]

玻璃甘油等物质会在没有结晶的情形下凝固,这称为无定形体,无定形体也包括一些没有凝固点的聚合物,没有在某一特定温度下有突然的相变化,其粘弹性的特性是在一个温度范围内渐渐变化。这类物质有一性质称为玻璃转化温度,大约可以定义为物质的密度和温度图出现明显斜率变化的“膝点”。因为玻璃转化是一个非平衡的过程,在晶相和液相之间未达到平衡状态,一般不视为凝固

低温下对生物体的影响[编辑]

许多生物可以长期忍受摄氏零度以下低温。大部份生物会累积如抗冻蛋白、多元醇,葡萄糖等抗冻剂以避免体内的水结冻。大部份植物其至可以生存在−4 °C至−12 °C的低温。

假单胞杆菌英语Pseudomonas syringae等细菌会产生特殊的蛋白质作为成核剂来,使得水果和植物表面在约−2 °C时结冰[8],结冻会使得表皮组织受伤,使细菌可以得到中下层植物组织中的养份[9]

细菌[编辑]

在冰冻上千年的冰块中分别有发现存活的更新世肉食杆菌英语Carnobacterium pleistocenium[10]格陵兰金黄杆菌英语Chryseobacterium greenlandensis及Herminiimonas glaciei[11]

植物[编辑]

植物有一个称为健化英语Hardening (botany)的过程,可以使植物在零度以下存活数周到数个月[12]

动物[编辑]

捻转血矛线虫可以在液态氮中存活44周。其他可以在0 °C以下存活的线虫包括Trichostrongylus colubriformis及Panagrolaimus davidi。许多爬虫类两栖类动物可以忍受0 °C以下的低温。

人类的配子以及2,4,8个细胞的胚胎可以在冰冻条件下生存到十年,此程序称为深低温保存

人体冷冻技术是一种试验中的医学技术,把人体在极低温的情况下冷藏保存,并希望在未来通过先进的医疗科技使他们解冻后复活及治疗。

食物保存[编辑]

冷冻也是一种常见的食物保存法,可以减缓食物腐坏的速度以及微生物生长的速度。除了低温时化学反应速率变慢外,冷冻时也可以减少细菌生长所需要的液态水。

参见[编辑]

相关条目[编辑]

  1. ^ 多用途的气体—氦气. 科学月刊. [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. PMC 1693005. PMID 12171657. doi:10.1098/rstb.2002.1082. 
  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. PMID 12662454. doi:10.1098/rsta.2002.1141. 
  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. PMID 11222024. doi:10.1006/cryo.2000.2289. 
  10. ^ 地球冻土层3万年细菌仍存活 火星生命可能性增加. 华翼网. 2005-02-25 [2014-02-18]. (原始内容存档于2014年2月25日). 
  11. ^ 极端条件下的生命. 华夏地理杂志. 2009-06-26 [2014-02-18]. [永久失效链接]
  12. ^ 温度. 教育部 数位教学资源入口网. [2014-02-18]. (原始内容存档于2014-02-26).