Jump to content

Переохлаждение

(Перенаправлено из -за прохладного охлаждения )
Вода из переохлаждения, все еще в жидком состоянии
Начало затвердевания в результате оставления состояния отдыха

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 - фазовая диаграмма, концентрация и температура

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 ]
  1. ^ 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 .
  2. ^ Ратц, Том. «Подготовленное охлаждение» . НАСА . Архивировано из оригинала на 2009-12-02 . Получено 2010-01-12 .
  3. ^ Управление научной миссии (23 апреля 2001 г.). «Послушай, мама - нет рук!: Что такое« недооценка »?» Полем НАСА Наука . Получено 13 апреля 2023 года .
  4. ^ IIR Международный словарь охлаждения, http://dictionary.iifiir.org/search.php Архивировал 2019-10-01 на машине Wayback
  5. ^ Ашраэ Терминология, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology
  6. ^ «Вода практически мгновенно замерзает, когда встряхивая бутылку, которая проведет ночь на улице в морозную ночь» . 2021-04-07 . Получено 2021-04-08 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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 .
  21. ^ Берк, М. (1976). «Замораживание и травма у растений». Ежегодный обзор физиологии растений . 27 : 507–528. doi : 10.1146/annurev.pp.27.060176.002451 .
  22. ^ 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 .
  23. ^ 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 .
  24. ^ Chill Camber Aractied 1 марта 2009 г., на машине Wayback
  25. ^ Slush-It! Архивированный 2010-01-23 на машине Wayback
  26. ^ Чарли Соррел (2007-09-21). «Coca Cola планирует высокотехнологичные, супер крутые спрайт» . Проводной . Конде Наст . Получено 2013-12-05 .
  27. ^ 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 .
  28. ^ Хунка, Джордж (2015-05-06). «Супер крутой способ доставки наркотиков» . Исследования и разработки.
  29. ^ Митч Джейкоби (2016-03-14). «Пайрь без тепла» . Химические и инженерные новости . Получено 2016-03-14 .
  30. ^ 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 .
  31. ^ Митч Джейкоби (2019-07-23). «Бесплатный метод дает печатные металлические соединения» . Химические и инженерные новости . Получено 2019-07-24 .
  32. ^ 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 .
  33. ^ 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 ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 3be14ed173dbd56820c2396d2cedbd27__1726388280
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/3b/27/3be14ed173dbd56820c2396d2cedbd27.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Supercooling - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)