凝固
凝固（solidification，freezing）是物质从液态转变为固态的相变过程或现象。最常见的情况是当温度降低时，物质由液体变为固体。物质凝固时的温度称为凝固点（solidifying/freezing point），其精确定义是：液体开始固化，液相与固相处于平衡时的温度。大多数物质凝固点的数值与熔点相同。
目前已知的液体几乎都可以在低温时凝固成为固体，氦是唯一的例外，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]。
晶体在凝固过程中放出热量，冷却到一定温度时开始凝固，此时温度保持不变，即为凝固点。非晶体（如玻璃、石蜡等）在凝固过程中随温度降低而逐渐失去流动性，最后变为固体，但没有凝固点。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：成核和晶体生长。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]过冷是指液体低于熔点而没有凝固的现象。
因为匀相核化结晶的活化能，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界面，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界面，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，其中一些相界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，这部分有些违反直觉[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。
低温的氦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]像玻璃或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。
急冻
[编辑]急冻，也称“速冻”，是指物体在深低温环境下快速（几个小时内）凝固的过程。急冻是对流层形成冰云的原理，因此大气科学中极其重要。[8]急冻样本中的冰晶较小，不会像普通冷冻一样破坏细胞结构，因此在食品保存和生物样本中都有使用。[9][10]
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。大部分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。大部分植物其至可以生存在−4 °C至−12 °C的低温。
像假单胞杆菌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[11]，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[12]。
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[13]、格陵兰金黄杆菌及Herminiimonas glaciei[14]。
植物
[编辑]植物有一个称为健化的过程，可以使植物在零度以下存活数周到数个月[15]。
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。许多爬虫类及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]- ^ 多用途的氣體—氦氣. 科学月刊. [2014-02-18]. （原始内容存档于2014-02-22）.
- ^ 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.
- ^ Franks F. Nucleation of ice and its management in ecosystems (PDF). Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2003, 361 (1804): 557–574 [2014-02-18]. Bibcode:2003RSPTA.361..557F. PMID 12662454. doi:10.1098/rsta.2002.1141. （原始内容存档于2016-01-28）.
- ^ 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.
- ^ What is an exothermic reaction? （页面存档备份，存于互联网档案馆） Scientific American, 1999
- ^ Atkins, Peter; Jones, Loretta, Chemical Principles: The Quest for Insight 4th, W. H. Freeman and Company: 236, 2008, ISBN 0-7167-7355-4
- ^ Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana, Chemical Thermodynamics: Advanced Applications, Academic Press: 92–93, 2000, ISBN 0-12-530985-6
- ^ Better understanding of water's freezing behavior at nanoscale. sciencedaily.com. [2017-01-17]. （原始内容存档于2018-07-09）.
- ^ Da-Wen Sun (2001), Advances in food refrigeration, Yen-Con Hung, Cryogenic Refrigeration, p.318, Leatherhead Food Research Association Publishing, http://www.worldcat.org/title/advances-in-food-refrigeration/oclc/48154735 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ Preparing Competent E. coli with RF1/RF2 solutions. Personal.psu.edu. [2009-07-03]. （原始内容存档于2021-09-23）.
- ^ 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.
- ^ Zachariassen KE, Kristiansen E. Ice nucleation and antinucleation in nature. Cryobiology. 2000, 41 (4): 257–279. PMID 11222024. doi:10.1006/cryo.2000.2289.
- ^ 地球凍土層3萬年細菌仍存活 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2014-02-25）.
- ^ 极端条件下的生命. 华夏地理杂志. 2009-06-26 [2014-02-18]. （原始内容存档于2014-03-02）.
- ^ 溫度. 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）.
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