Переохлаждение


Переохлаждение , [ 1 ] также известен как недостаточное прохладное охлаждение , [ 2 ] [ 3 ] является процессом снижения температуры жидкости ниже точки замерзания, если она не станет твердым. В соответствии с установленным международным определением, переохлаждение означает «охлаждение вещества ниже нормальной точки замораживания без затвердевания» [ 4 ] [ 5 ] Хотя это может быть достигнуто различными физическими средствами, откладываемое затвердевание чаще всего обусловлено отсутствием кристаллов семян или ядер , вокруг которых может образоваться кристаллическая структура. Сверхкачественное охлаждение воды может быть достигнуто без каких -либо специальных методов, отличных от химической деминерализации, вплоть до -48,3 ° C (-54,9 ° F). Вода из переохлаждения может происходить естественным образом, например, в атмосфере, животных или растениях.
Объяснение
[ редактировать ]Жидкость, пересекающая свою стандартную точку замораживания, будет кристализоваться в присутствии кристалла семян или ядра , вокруг которого кристаллическая структура может образовывать создание твердого вещества. Отсутствие каких -либо таких ядер , жидкая фаза может поддерживать вплоть до температуры, при которой происходит однородное зарождение кристаллов . [ 6 ]
Гомогенная нуклеация может произойти над температурой стеклянного перехода , но если гомогенное зарождение не произошло выше этой температуры, аморфное (некристаллическое) твердое вещество образуется.
Вода обычно замерзает при 273,15 К (0,0 ° C; 32 ° F), но она может быть «переохлаждением» при стандартном давлении до его кристаллического гомогенного зарождения при почти 224,8 К (-48,3 ° C; -55,0 ° F). [ 7 ] [ 8 ] Процесс переохлаждения требует, чтобы вода была чистой и свободной от участков зарождения , что может быть достигнуто с помощью таких процессов, как обратный осмос или химическая деминерализация , но само охлаждение не требует какой -либо специализированной техники. Если вода охлаждается со скоростью по заказу 10 6 К/с, зародышеобразования кристаллов можно избежать, а вода становится стеклом , то есть аморфным (некристаллическим) твердым. Температура его стеклянного перехода намного холоднее и труднее определить, но исследования оценивают ее около 136 К (-137 ° C; -215 ° F). [ 9 ] Стеклянная вода может быть нагрета до приблизительно 150 К (-123 ° C; -190 ° F) без происшествия. [ 8 ] В диапазоне температур от 150 до 231 К (-123 и -42,2 ° C; -190 и -43,9 ° F) эксперименты находят только кристаллический лед.
Капли из переохлажденной воды часто существуют в слоях и кучевых облаках . Самолет, пролетающий через такое облако, видит резкую кристаллизацию этих капель, что может привести к формированию льда на крыльях самолета или блокировке его инструментов и зондов, если только самолет не оборудован соответствующей системой защиты льда . Замораживающий дождь также вызван капли из переохлаждения.
Процесс, противоположный переохлаждению, таяние твердого тела над точкой замерзания, гораздо сложнее, и твердое вещество почти всегда тает при той же температуре для данного давления . По этой причине это температура плавления, которая обычно идентифицируется, используя аппарат пластинга ; Даже когда предметом статьи является «определение точки замерзания», фактической методологией является «принцип наблюдения за исчезновением, а не формированием льда». [ 10 ] При данном давлении возможно перегрев жидкость над температурой кипения, если она не станет газообразной.
Суперкулирование не следует путать с депрессией точки замерзания . Суперкулирование - это охлаждение жидкости под точкой замерзания, не становясь твердым. Депрессия точки замерзания - это когда раствор можно охлаждать под точкой замерзания соответствующей чистой жидкости из -за присутствия растворенного вещества ; Примером этого является депрессия точки замерзания, которая возникает, когда соль добавляется в чистую воду.
Конституционное переохлаждение
[ редактировать ]
Конституционное переохлаждение, которое происходит во время затвердевания, обусловлено составными изменениями и приводит к охлаждению жидкости под точкой замерзания перед границей с твердым сплошным . При затвердевании жидкости границы разекции часто нестабильны, а скорость границы с твердым лик -жидником должна быть небольшим, чтобы избежать конституционного переохлаждения.
Конституционное переохлаждение наблюдается, когда градиент температуры Liquidus на границе раздела (положение x = 0) больше, чем навязанный градиент температуры:
Наклон Liquidus от бинарной фазовой диаграммы дается Таким образом, конституционный критерий переохлаждения для бинарного сплава может быть написан с точки зрения градиента концентрации на границе раздела:
Градиент концентрации перед плоским интерфейсом дается
где это скорость интерфейса, коэффициент диффузии и и композиции жидкости и твердого вещества на границе раздела, соответственно (т.е. ).
Для стационарного роста плоского границы раздела композиция твердого тела равна номинальному составу сплава, и коэффициент разделения , , может быть принят постоянным. Следовательно, минимальный тепловой градиент, необходимый для создания стабильного твердого фронта, определяется
Для получения дополнительной информации см. Главу 3 [ 11 ]
В животных
[ редактировать ]Чтобы пережить экстремальные низкие температуры в определенных средах, некоторые животные используют явление переохлаждения, которое позволяет им оставаться незамерзлыми и избегать повреждения клеток и смерти. Существует много методов, которые помогают поддерживать жидкое состояние, такие как производство антифризовых белков или AFP, которые связываются с кристаллами льда, чтобы предотвратить связывание и распространение молекул воды. [ 12 ] Зимняя камбала является одной из таких рыб, которая использует эти белки для выживания в своей холодной среде. Печень выделяет неколлигативные белки в кровоток. [ 13 ] Другие животные используют коллигативные антифризы, что увеличивает концентрацию растворенных веществ в их телесных жидкостях, тем самым снижая их точку замораживания. Рыба, которая полагается на переохлаждение для выживания, также должна жить намного ниже поверхности воды, потому что, если они вступит в контакт с ядрами льда, они немедленно замерзают. Животные, которые проходят переохлаждение, чтобы выжить, также должны удалить льдо-нуклеатирующие агенты из их тел, потому что они действуют как отправная точка для замораживания. Суперкулирование также является общей особенностью у некоторых насекомых, рептилий и других Ectotherm видов . Личинка нематоды картофельной кисты ( Globodera rostochiensis ) может выжить внутри своих кист в переохлажденном состоянии до температуры до -38 ° C (-36 ° F), даже при кисте, заключенной в лед.
По мере того, как животное становится дальше и дальше ниже своей точки плавления, вероятность спонтанного замораживания резко возрастает для его внутренних жидкостей, так как это термодинамически нестабильное состояние. Жидкости в конечном итоге достигают точки переохлаждения, которая представляет собой температуру, при которой раствор переохлаждений спонтанно замораживает из -за того, что он был до сих пор ниже ее нормальной точки замораживания. [ 14 ] Животные непреднамеренно подвергаются переохлаждению и способны уменьшить шансы замораживания только после переохлаждения. Несмотря на то, что переохлаждение необходимо для выживания, с ним связано много рисков.
В растениях
[ редактировать ]Растения также могут пережить экстремальные холодные условия, возникающие в зимние месяцы. Многие виды растений, расположенные в северном климате, могут акклиматизироваться в этих холодных условиях путем переохлаждения, поэтому эти растения выживают температура до -40 ° C (-40 ° F). [ 15 ] Хотя это явление переохлаждения плохо изучено, оно было признано с помощью инфракрасной термографии . Зарождение льда происходит в определенных органах и тканях растений, что, споряне, начинается в ткани ксилемы и распространяясь по всей остальной части растения. [ 16 ] [ 17 ] Инфракрасная термография позволяет визуализировать капли воды, поскольку они кристализуются во внеклеточных пространствах. [ 18 ]
Суперкулирование ингибирует образование льда в ткани зарождением льда и позволяет клеткам поддерживать воду в жидком состоянии и дополнительно позволяет воде внутри клетки оставаться отделенной от внеклеточного льда. [ 18 ] Клеточные барьеры, такие как лигнин , суберин и кутикула, ингибируют нуклеаторы льда и приводят воду в переохлажденную ткань. [ 19 ] Ксилема и первичная ткань растений очень подвержены холодным температурам из -за большой доли воды в клетке. Многие виды бореальных лиственных пород в северном климате способны предотвратить распространение льда в побеги, что позволяет растению переносить холод. [ 20 ] Supercoon был идентифицирован в вечнозеленых кустарниках Rhododendron Ferrugineum и Vaccinium vites-ida в качестве Abies , Piicea и Larix . видов [ 20 ] Замораживание за пределами клетки и внутри клеточной стенки не влияет на выживание растения. [ 21 ] Однако внеклеточный лед может привести к обезвоживанию растений. [ 17 ]
В морской воде
[ редактировать ]Присутствие соли в морской воде влияет на точку замерзания. По этой причине морская вода может оставаться в жидком состоянии при температуре ниже температуры плавления. Это «псевдо-охлаждение», потому что это явление является результатом снижения точки замерзания, вызванного присутствием соли, а не переохлаждения. Это состояние чаще всего наблюдается в океанах вокруг Антарктиды , где плавление нижней стороны ледяных полков при высоком давлении приводит к жидкому расплавленной воде, которая может быть ниже температуры замерзания. Предполагается, что вода не сразу зарекомендовала себя из -за отсутствия участков зарождения. [ 22 ] Это обеспечивает проблему для океанографических инструментов, так как кристаллы льда будут легко сформировать оборудование, что может повлиять на качество данных. [ 23 ] В конечном итоге присутствие чрезвычайно холодной морской воды повлияет на рост морского льда .
Приложения
[ редактировать ]Одно коммерческое применение переохлаждения находится в охлаждении . Морозинги могут охладить напитки на уровне сверхурочного охлаждения [ 24 ] так что, когда они открыты, они образуют сляку . Другим примером является продукт, который может переоценить напиток в обычной морозильной камере. [ 25 ] Компания Coca-Cola кратко продавала специальные торговые автоматы, содержащие Sprite в Великобритании, и Coke в Сингапуре, которые хранили бутылки в переохлажденном состоянии, так что их содержание превратилось в Slush после открытия. [ 26 ]
Суперкулирование было успешно применено к сохранению органов в больнице общего профиля в Массачусетс/ Гарвардской медицинской школе . Печень , которая была позже пересажена на животных -реципиентов, была сохранена путем переохлаждения в течение до 4 дней, что в четыре раза, увеличив пределы того, что можно было достичь обычными методами сохранения печени. Печенье переохлаждали до температуры -6 ° C (21 ° F) в специализированном растворе, который защищал от замораживания и травмы от холодной температуры. [ 27 ]
Другим потенциальным применением является доставка наркотиков. В 2015 году исследователи кристаллизовали мембраны в определенное время. В жидкости-инкапсулированных лекарствах можно доставить на участок, и, с небольшим изменением окружающей среды, жидкость быстро превращается в кристаллическую форму, которая высвобождает лекарство. [ 28 ]
В 2016 году команда из Университета штата Айова предложила метод «пайки без тепла», используя инкапсулированные капли переохлажденного жидкого металла для ремонта электронных устройств, чувствительных к тепло. [ 29 ] [ 30 ] В 2019 году та же команда продемонстрировала использование металла с недостаточным охлаждением для печати твердых металлических соединений на поверхностях, начиная от полярных (бумага и желе) до супергидрофобного (лепестки роз), причем все поверхности являются более низким модулем, чем металл. [ 31 ] [ 32 ]
Eftekhari et al. Предложенная эмпирическая теория, объясняющая, что переохлаждение ионных жидких кристаллов может построить упорядоченные каналы для диффузии для применения для хранения энергии. В этом случае электролит имеет жесткую структуру, сопоставимую с твердым электролитом, но коэффициент диффузии может быть такой же большой, как у жидких электролитов. Суперкулирование увеличивает среднюю вязкость, но сохраняет направленные каналы открытыми для диффузии. [ 33 ]
Смотрите также
[ редактировать ]- Аморфный твердый
- Технология накачаемого льда
- Подкол
- Ультраколд
- Вязкая жидкость
- Замерзание дождя
- Перегрев
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гомес, Габриэль О.; Х. Стэнли, Юджин; Суза, Мариано де (2019-08-19). «Усовершенствованный параметр Grüneisen в воде переохлаждения» . Научные отчеты . 9 (1): 12006. Arxiv : 1808.00536 . BIBCODE : 2019NATSR ... 912006O . doi : 10.1038/s41598-019-48353-4 . ISSN 2045-2322 . PMC 6700159 . PMID 31427698 .
- ^ Ратц, Том. «Подготовленное охлаждение» . НАСА . Архивировано из оригинала на 2009-12-02 . Получено 2010-01-12 .
- ^ Управление научной миссии (23 апреля 2001 г.). «Послушай, мама - нет рук!: Что такое« недооценка »?» Полем НАСА Наука . Получено 13 апреля 2023 года .
- ^ IIR Международный словарь охлаждения, http://dictionary.iifiir.org/search.php Архивировал 2019-10-01 на машине Wayback
- ^ Ашраэ Терминология, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology
- ^ «Вода практически мгновенно замерзает, когда встряхивая бутылку, которая проведет ночь на улице в морозную ночь» . 2021-04-07 . Получено 2021-04-08 .
- ^ Мур, Эмили; Валерия Молинеро (24 ноября 2011 г.). «Структурная трансформация в переохлаждении воды контролирует скорость кристаллизации льда». Природа . 479 (7374): 506–508. Arxiv : 1107.1622 . Bibcode : 2011natur.479..506m . doi : 10.1038/nature10586 . PMID 22113691 . S2CID 1784703 .
- ^ Jump up to: а беременный Debenedetti, pg; Стэнли, он (2003). «Суперкулированная и стеклянная вода» (PDF) . Физика сегодня . 56 (6): 40–46 [с. 42]. Bibcode : 2003pht .... 56f..40d . doi : 10.1063/1.1595053 .
- ^ Angell, C. Austen (2008). «Понимание фаз жидкой воды из изучения его необычных стеклянных свойств». Наука . 319 (5863): 582–587. doi : 10.1126/science.1131939 . PMID 18239117 . S2CID 9860383 .
- ^ Рамсей, JA (1949). «Новый метод определения точки замерзания для небольших количеств» (PDF) . J. Exp. Биол. 26 (1): 57–64. doi : 10.1242/jeb.26.1.57 . PMID 15406812 .
- ^ Kurz W, Fisher DJ (1992). «Глава 3: Морфологическая нестабильность границы с твердым/жидкостью». Основы затвердевания (3 -е изд.). Швейцария: Trans Tech Publications Ltd. с. 45–55. ISBN 0-87849-522-3 .
- ^ JG Duman (2001). «Протеины антифриза и нуклеаторов льда в наземных членистоногих». Ежегодный обзор физиологии . 63 : 327–357. doi : 10.1146/annurev.physiol.63.1.327 . PMID 11181959 .
- ^ Гарт Л Флетчер; Choy L Hew & Peter L Davies (2001). «Антифризовые белки телеострных рыб». Ежегодный обзор физиологии . 63 : 359–390. doi : 10.1146/annurev.physiol.63.1.359 . PMID 11181960 .
- ^ Чо Лоу; PJ Lardner & Ea Halpern (1971). «Суперкалирование в рептилиях и других позвоночных». Сравнительная биохимия и физиология . 39a (1): 125–135. doi : 10.1016/0300-9629 (71) 90352-5 . PMID 4399229 .
- ^ Wisniewski, M.; Fuller, M.; Palta, J.; Картер, Дж.; Арора Р. (2004-05-24). «Зарождение льда, распространение и глубокое переохлаждение в древесных растениях» . Журнал улучшения урожая . 10 (1–2): 5–16. doi : 10.1300/j411v10n01_02 . ISSN 1542-7528 . S2CID 5362785 .
- ^ Wisniewski, M (1997). «Наблюдения за нуклеацией льда и распространением у растений с использованием инфракрасной термографии» . Физиология растений . 113 (2): 327–334. doi : 10.1104/pp.113.2.327 . PMC 158146 . PMID 12223611 .
- ^ Jump up to: а беременный Пирс Р. (2001). «Замораживание и повреждение растений» (PDF) . Анналы ботаники . 87 (4): 417–424. doi : 10.1006/anbo.2000.1352 . Получено 11 декабря 2016 года .
- ^ Jump up to: а беременный Wisniewski, M (2004). «Зарождение льда, распространение и глубокое переохлаждение в древесных растениях». Журнал улучшения урожая . 10 (1–2): 5–16. doi : 10.1300/j411v10n01_02 . S2CID 5362785 .
- ^ Kuprian, E (2016). «Постоянное переохлаждение репродуктивных побегов обеспечивается активным структурным ледяным барьером, несмотря на неповрежденное ксилемское соединение» . Plos один . 11 (9): E0163160. BIBCODE : 2016PLOSO..1163160K . doi : 10.1371/journal.pone.0163160 . PMC 5025027 . PMID 27632365 .
- ^ Jump up to: а беременный Neuner, Gilbert (2014). «Морозная устойчивость у альпийских древесных растений» . Переднее растение Sci . 5 : 654. DOI : 10.3389/fpls.2014.00654 . PMC 4249714 . PMID 25520725 .
- ^ Берк, М. (1976). «Замораживание и травма у растений». Ежегодный обзор физиологии растений . 27 : 507–528. doi : 10.1146/annurev.pp.27.060176.002451 .
- ^ Hoppmann, M.; Рихтер, я; Смит, IJ; Jendersie, S.; Langhorne, PJ; Томас, Дн; Dieckmann, GS (2020). «Лед на тромбоците, скрытый лед Южного океана: обзор» . Анналы гляциологии . 61 (83): 1–28. Bibcode : 2020ANGLA..61..341H . doi : 10.1017/aog.2020.54 .
- ^ Робинсон, Нью -Джерси; Грант, BS; Стивенс, кл; Стюарт, кл; Уильямс, MJM (2020). «Океанографические наблюдения в воде переохлаждения: протоколы для смягчения ошибок измерения при профилировании и пришвартовании» . Холодные регионы Наука и технология . 170 (102954): 102954. Bibcode : 2020crst..17002954R . doi : 10.1016/j.coldregions.2019.102954 .
- ^ Chill Camber Aractied 1 марта 2009 г., на машине Wayback
- ^ Slush-It! Архивированный 2010-01-23 на машине Wayback
- ^ Чарли Соррел (2007-09-21). «Coca Cola планирует высокотехнологичные, супер крутые спрайт» . Проводной . Конде Наст . Получено 2013-12-05 .
- ^ Берендсен, Та; Брюинсма, BG; Puts, CF; Saeidi, n; Usta, ob; Уйгун, будь; Изамис, Мария-Луиза; Тонер, Мехмет; Ярмуш, Мартин Л; Uygun, Korkut (2014). «Суперкулирование обеспечивает долгосрочную трансплантацию выживаемость после 4 дней сохранения печени» . Природная медицина . 20 (7): 790–793. doi : 10.1038/nm.3588 . PMC 4141719 . PMID 24973919 .
- ^ Хунка, Джордж (2015-05-06). «Супер крутой способ доставки наркотиков» . Исследования и разработки.
- ^ Митч Джейкоби (2016-03-14). «Пайрь без тепла» . Химические и инженерные новости . Получено 2016-03-14 .
- ^ Симге Чинар; Ян Д. Тевис; Jiahao Chen; Мартин Туо (2016-02-23). «Механическое разрушение металлических частиц с ядро-оболочкой для безгрешных пайков» . Научные отчеты . 6 : 21864. BIBCODE : 2016NATSR ... 621864C . doi : 10.1038/srep21864 . PMC 4763186 . PMID 26902483 .
- ^ Митч Джейкоби (2019-07-23). «Бесплатный метод дает печатные металлические соединения» . Химические и инженерные новости . Получено 2019-07-24 .
- ^ Эндрю Мартин; Бойс С. Чанг; Захари Мартин; Dipark Paramanik; Кристоф Франкьюсеч; Сувик Кунду; Ян Тевис; Мартин Туо (2019-07-15). «Бесполезное изготовление металлических соединений для гибких/носимых устройств». Усовершенствованные функциональные материалы . 29 (40): 1903687. DOI : 10.1002/ADFM.201903687 . S2CID 199076266 .
- ^ Эфтехари, а; Лю, y; Чен, П (2016). «Различные роли ионных жидкостей в литиевых батареях». Журнал источников питания . 334 : 221–239. Bibcode : 2016jps ... 334..221e . doi : 10.1016/j.jpowsour.2016.10.025 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Giovambattista, n.; Ангелл, Калифорния; Sciortino, F.; Стэнли, он (июль 2004 г.). «ТЕМПЕРАТИЦИЯ ГЛАВНОГО ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ ВОДЫ: ИЗМЕРЕНИЕ» (PDF) . Письма о физическом обзоре . 93 (4): 047801. Arxiv : Cond-Mat/0403133 . BIBCODE : 2004PHRVL..93D7801G . doi : 10.1103/physrevlett.93.047801 . PMID 15323794 . S2CID 8311857 .
- Роджерсон, Массачусетс; Cardoso, SSS (апрель 2004 г.). «Затвердевание в тепловых пакетах: III. Металлический триггер» . AISHE Journal . 49 (2): 522–529. doi : 10.1002/aic.690490222 . Архивировано с оригинала 2012-12-09.