Мгновенное замораживание

В физике и химии . мгновенное замораживание — это процесс быстрого замораживания объектов ^[1] Это делается путем воздействия на них криогенных температур или путем прямого контакта с жидким азотом при температуре -196 °C (-320,8 °F). Его широко используют в пищевой промышленности .

Внезапное замерзание имеет большое значение в науке об атмосфере , поскольку его изучение необходимо для создания правильной климатической модели образования ледяных облаков в верхней тропосфере , которые эффективно рассеивают поступающую солнечную радиацию и предотвращают Земли перегрев солнечным светом . ^[2]

Этот процесс также тесно связан с классической теорией нуклеации , которая помогает понять множество материалов, явлений и теорий в связанных ситуациях.

Обзор

Когда вода замерзает медленно, кристаллы растут из меньшего числа мест зародышеобразования, в результате чего кристаллов становится меньше и они становятся крупнее. Это повреждает клеточные стенки и вызывает обезвоживание клеток . Когда вода замерзает быстро, как при мгновенном замерзании, появляется больше мест зародышеобразования и больше кристаллов меньшего размера. Это приводит к гораздо меньшему повреждению клеточных стенок, пропорциональному скорости замораживания. Вот почему мгновенное замораживание полезно для сохранения продуктов питания и тканей . ^[3]

Приложения и методы

Мгновенная заморозка используется для криоконсервации.

Мгновенная заморозка используется в пищевой промышленности для быстрой заморозки скоропортящихся продуктов (см. замороженные продукты ). В этом случае продукты питания подвергаются воздействию температур значительно ниже ^{[ нужны разъяснения ]} точка замерзания воды . Таким образом, образуются более мелкие кристаллы льда, вызывающие меньшее повреждение клеточных мембран . ^[4]

Методы мгновенного замораживания используются для быстрого замораживания биологических образцов, чтобы крупные кристаллы льда не могли образоваться и повредить образец. ^[5] Это быстрое замораживание осуществляется путем погружения образца в жидкий азот или смесь сухого льда и этанола . ^[6]

Американский изобретатель Кларенс Бердси в 20 веке разработал процесс консервирования пищевых продуктов «быстрой заморозки» с использованием криогенного процесса. ^[7] На практике вместо этого из-за стоимости обычно используется процесс механического замораживания. При механической заморозке постоянно оптимизировалась скорость замораживания, чтобы минимизировать размер кристаллов льда. ^[3]

Результаты имеют важное значение для исследований в области контроля климата . Один из текущих споров заключается в том, происходит ли образование льда вблизи поверхности или внутри капель микрометрового размера, взвешенных в облаках. Если это первое, эффективные инженерные можно будет применить подходы для настройки поверхностного натяжения воды так, чтобы можно было контролировать скорость кристаллизации льда. ^[2]

Как замерзает вода

Существуют такие явления, как переохлаждение , при котором вода охлаждается ниже точки замерзания , но вода остается жидкой, если в ней слишком мало дефектов, препятствующих зародышевой кристаллизации . Таким образом, можно наблюдать задержку до тех пор, пока вода не приспособится к новой температуре ниже нуля. ^[8] Переохлажденная жидкая вода должна стать льдом при температуре -48°С (-55°F) не только из-за сильного холода, но и потому, что молекулярная структура воды физически меняется, образуя форму тетраэдра , где каждая молекула воды слабо связана с четырьмя другими. ^[9] Это предполагает структурный переход от жидкости к «промежуточному льду». ^[9] Кристаллизация льда из переохлажденной воды обычно инициируется процессом, называемым нуклеацией. Скорость и размер нуклеации происходят в пределах наносекунд и нанометров . ^[2]

Приземная среда не играет решающей роли в образовании льда и снега . ^[10] Колебания плотности внутри капель приводят к возможным областям замерзания, охватывающим среднюю и поверхностную области. ^[11] Замерзание с поверхности или изнутри может быть случайным. ^[11] Однако в странном мире воды теоретически все еще присутствует небольшое количество жидкой воды, даже когда температура опускается ниже -48 ° C (-54 ° F), и почти вся вода превратилась в твердое вещество, либо в кристаллический лед, либо в аморфную воду. . При температуре ниже -48 ° C (-54 ° F) лед кристаллизуется слишком быстро, чтобы можно было измерить какие-либо свойства оставшейся жидкости. ^[9] Скорость замерзания напрямую влияет на процесс зародышеобразования и размер кристаллов льда. Переохлажденная жидкость будет оставаться в жидком состоянии ниже нормальной температуры замерзания, когда у нее мало возможностей для зародышеобразования; то есть, если он достаточно чистый и имеет достаточно гладкую емкость. После перемешивания он быстро станет твердым. На заключительном этапе замерзания у капли льда появляется заостренный кончик, чего не наблюдается у большинства других жидкостей, и он возникает из-за расширения воды при замерзании. ^[10] Когда жидкость полностью замерзает, острый кончик капли притягивает водяной пар из воздуха так же, как острый металлический громоотвод притягивает электрические заряды . ^[10] Водяной пар собирается на кончике, и дерево из мелких кристаллов льда начинает расти. ^[10] Было показано, что противоположный эффект заключается в преимущественном извлечении молекул воды из острого края картофельных ломтиков в духовке. ^[10]

Если микроскопическую каплю воды охладить очень быстро, она образует так называемое стекло ( аморфный лед низкой плотности ), в котором все тетраэдры молекул воды не выстроены в ряд, а аморфны. ^[9] Изменение структуры воды контролирует скорость образования льда. ^[9] В зависимости от температуры и давления водяной лед имеет 16 различных кристаллических форм , в которых молекулы воды сцепляются друг с другом водородными связями . ^[9] Когда вода охлаждается, ее структура становится ближе к структуре льда, поэтому плотность снижается, и это должно отражаться в увеличении скорости кристаллизации, проявляющей эти кристаллические формы. ^[9]

Сопутствующие количества

Для понимания мгновенного замораживания могут быть полезны различные связанные величины.

Рост кристаллов или зарождение кристаллов — это образование новой термодинамической фазы или новой структуры посредством самосборки. Часто оказывается, что нуклеация очень чувствительна к примесям в системе. Для зарождения новой термодинамической фазы, такой как образование льда в воде при температуре ниже 0 °C (32 °F), если система не развивается со временем и зарождение происходит в один этап, то вероятность того, что зародышеобразование не произошло, должна подвергаться экспоненциальному затуханию . Это также можно наблюдать при зарождении льда в переохлажденных небольших каплях воды. ^[12] Скорость затухания экспоненты дает скорость зародышеобразования и определяется выражением

$R\ =\ N_{S}Zj\exp \left({\frac {-\Delta G^{*}}{k_{B}T}}\right)$

Где

${\displaystyle \Delta G^{*}}$ — стоимость свободной энергии ядра на вершине барьера нуклеации, kBT — тепловая энергия, где T — абсолютная температура, а kB — постоянная Больцмана .
${\displaystyle N_{S}}$ – число центров зародышеобразования.
${\displaystyle j}$ — это скорость, с которой молекулы прикрепляются к ядру, вызывая его рост.
${\displaystyle Z}$ это то, что называется фактором Зельдовича Z. По сути, фактор Зельдовича — это вероятность того, что ядро на вершине барьера продолжит образовывать новую фазу, а не растворяться.

Классическая теория нуклеации — это широко используемая приближенная теория для оценки этих скоростей и того, как они меняются в зависимости от таких переменных, как температура. Он правильно предсказывает, что время, необходимое для нуклеации, чрезвычайно быстро уменьшается при пересыщении. ^[13]^[14]

Нуклеацию можно разделить на гомогенную и гетерогенную нуклеацию. Сначала происходит гомогенная нуклеация, потому что это намного проще. Классическая теория нуклеации предполагает, что для микроскопического зародыша новой фазы свободная энергия капли может быть записана как сумма объемного члена, пропорционального объемному и поверхностному члену.

${\displaystyle \Delta G={\frac {4}{3}}\pi r^{3}\Delta g+4\pi r^{2}\sigma }$

Первый член — это объемный член, и, если предположить, что ядро сферическое, это объем сферы радиуса ${\displaystyle r}$ . ${\displaystyle \Delta g}$ - это разница в свободной энергии на единицу объема между термодинамической фазой, в которой происходит зарождение, и фазой, в которой происходит зарождение.

критический радиус ядра при некотором промежуточном значении ${\displaystyle r}$ , свободная энергия проходит через максимум, и поэтому вероятность образования ядра проходит через минимум. Встречается наименее вероятное ядро, т. е. то, у которого наибольшее значение ${\displaystyle \Delta G}$ где

${\displaystyle {\frac {dG}{dr}}=0}$

Это называется критическим ядром и происходит при критическом радиусе ядра.

${\displaystyle r^{*}=-{\frac {2\sigma }{\Delta g}}}$

Добавление новых молекул к ядрам, размер которых превышает этот критический радиус, уменьшает свободную энергию, поэтому появление таких ядер более вероятно.

Гетерогенное зародышеобразование, то есть зарождение ядра на поверхности, встречается гораздо чаще, чем гомогенное зародышеобразование. Гетерогенное зародышеобразование обычно происходит намного быстрее, чем гомогенное, поскольку барьер зародышеобразования ${\displaystyle \Delta G^{*}}$ у поверхности значительно ниже. Это связано с тем, что барьер нуклеации возникает из положительного члена в свободной энергии. ${\displaystyle \Delta G}$ , что является поверхностным термином. Таким образом, в заключение можно сказать, что вероятность зародышеобразования наиболее высока на поверхности, а не в центре жидкости.

Давление Лапласа — это разница давлений внутри и снаружи искривленной поверхности между газовой и жидкой областями. Давление Лапласа определяется из уравнения Юнга – Лапласа, имеющего вид

$\Delta P\equiv P_{\text{inside}}-P_{\text{outside}}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)$ .

где ${\displaystyle R_{1}}$ и ${\displaystyle R_{2}}$ - главные радиусы кривизны и ${\displaystyle \gamma }$ (также обозначается как ${\displaystyle \sigma }$ ) — поверхностное натяжение .

Поверхностное натяжение можно определить с точки зрения силы или энергии. Поверхностное натяжение жидкости — это соотношение изменения энергии жидкости и изменения площади поверхности жидкости (приведшего к изменению энергии). Его можно определить как $\gamma ={\frac {W}{\Delta A}}$ . Эта работа W интерпретируется как потенциальная энергия .

См. также

Ссылки

^ «Что такое мгновенное замораживание? (с картинками)» . 27 февраля 2024 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с «Лучшее понимание поведения воды при замерзании на наноуровне» . sciencedaily.com . Проверено 17 января 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Заморозка фруктов и овощей» . www.фао.орг . Проверено 6 апреля 2020 г.
^ Да-Вэнь Сан (2001), Достижения в области охлаждения пищевых продуктов, Йен-Кон Хунг, Криогенное охлаждение, стр. 318, Издательство Ассоциации пищевых исследований Лезерхеда, http://www.worldcat.org/title/advances-in-food- охлаждение/oclc/48154735
^ «Замораживание тканей» . Biotech.ufl.edu. Архивировано из оригинала 11 января 2012 года . Проверено 3 июля 2009 г.
^ «Получение компетентной кишечной палочки с помощью растворов RF1/RF2» . Персональный.psu.edu. Архивировано из оригинала 23 сентября 2021 г. Проверено 3 июля 2009 г.
^ «Быстрозамороженные продукты, такие же, как свежие». Popular Science Monthly , сентябрь 1930 г., стр. 26–27.
^ «Сверхизлучающая материя: новая парадигма для исследования динамических фазовых переходов» . sciencedaily.com . Проверено 17 января 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г «Суперохлаждение: вода не должна замерзать до -48 C (-55 F)» . sciencedaily.com . Проверено 17 января 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и «Замерзающие капли воды образуют острые ледяные вершины» . sciencedaily.com . Проверено 17 января 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Как замерзают капли воды: Физика льда и снега» . sciencedaily.com . Проверено 17 января 2017 г.
^ Дафт, Д. (2004). Лабораторные доказательства объемного зарождения льда в микрокаплях переохлажденной воды . Химия и физика атмосферы.
^ Пруппахер. Клетт, HR, JD (1997). Микрофизика облаков и осадков . Клювер. {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Сир, Р.П. (2007). Нуклеация: теория и приложения к белковым растворам и коллоидным суспензиям . Физика Конд. Мэтт.

[1] «Что такое мгновенное замораживание? (с картинками)» . 27 февраля 2024 г.

[:2-2] Jump up to: ^а ^б ^с «Лучшее понимание поведения воды при замерзании на наноуровне» . sciencedaily.com . Проверено 17 января 2017 г.

[FAO-3] Jump up to: ^а ^б «Заморозка фруктов и овощей» . www.фао.орг . Проверено 6 апреля 2020 г.

[4] Да-Вэнь Сан (2001), Достижения в области охлаждения пищевых продуктов, Йен-Кон Хунг, Криогенное охлаждение, стр. 318, Издательство Ассоциации пищевых исследований Лезерхеда, http://www.worldcat.org/title/advances-in-food- охлаждение/oclc/48154735

[5] «Замораживание тканей» . Biotech.ufl.edu. Архивировано из оригинала 11 января 2012 года . Проверено 3 июля 2009 г.

[6] «Получение компетентной кишечной палочки с помощью растворов RF1/RF2» . Персональный.psu.edu. Архивировано из оригинала 23 сентября 2021 г. Проверено 3 июля 2009 г.

[7] «Быстрозамороженные продукты, такие же, как свежие». Popular Science Monthly , сентябрь 1930 г., стр. 26–27.

[:3-8] «Сверхизлучающая материя: новая парадигма для исследования динамических фазовых переходов» . sciencedaily.com . Проверено 17 января 2017 г.

[:0-9] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г «Суперохлаждение: вода не должна замерзать до -48 C (-55 F)» . sciencedaily.com . Проверено 17 января 2017 г.

[:4-10] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и «Замерзающие капли воды образуют острые ледяные вершины» . sciencedaily.com . Проверено 17 января 2017 г.

[:1-11] Jump up to: ^а ^б «Как замерзают капли воды: Физика льда и снега» . sciencedaily.com . Проверено 17 января 2017 г.

[12] Дафт, Д. (2004). Лабораторные доказательства объемного зарождения льда в микрокаплях переохлажденной воды . Химия и физика атмосферы.

[13] Пруппахер. Клетт, HR, JD (1997). Микрофизика облаков и осадков . Клювер. {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[14] Сир, Р.П. (2007). Нуклеация: теория и приложения к белковым растворам и коллоидным суспензиям . Физика Конд. Мэтт.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]