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La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 20 de febrero de 2021; las comprobaciones requieren 3 ediciones .La solidificación (también solidificación , congelación , congelación ) es una transición de fase en la que un líquido se convierte en sólido cuando su temperatura desciende por debajo de su punto de congelación . De acuerdo con una definición establecida internacionalmente, la congelación significa un cambio en la fase de solidificación de un líquido o en el contenido líquido de una sustancia, generalmente debido al enfriamiento [1] [2] .
Aunque algunos autores diferencian la solidificación de la congelación como el proceso por el cual un líquido se convierte en sólido cuando se aumenta la presión, los dos términos se usan indistintamente.
Para la mayoría de las sustancias, los puntos de fusión y congelación son los mismos; sin embargo, algunas sustancias tienen diferentes temperaturas de transición de sólido a líquido. Por ejemplo, el agar muestra histéresis en su punto de fusión y punto de congelación. Se funde a 85°C y se endurece en el rango de temperatura de 32°C a 40°C [3] .
Cristalización
La mayoría de los líquidos se congelan por cristalización , la formación de un sólido cristalino a partir de un líquido homogéneo. Esta es una transición de fase termodinámica de primer orden, lo que significa que mientras coexisten sólido y líquido, la temperatura de todo el sistema permanece casi igual al punto de fusión debido a la lenta eliminación de calor en contacto con el aire, que es un mal conductor del calor. Debido al calor latente de fusión, la congelación se ralentiza significativamente y la temperatura ya no bajará una vez que comience la congelación, sino que seguirá bajando cuando finalice. La cristalización consta de dos eventos principales, la nucleación y el crecimiento de cristales. La nucleación es la etapa en la que las moléculas comienzan a ensamblarse en grupos a escala nanométrica , dispuestos en un patrón específico y periódico que determina la estructura cristalina . El crecimiento de cristales es el crecimiento posterior de núcleos que logran alcanzar un tamaño de racimo crítico.
Hipotermia
A pesar de la segunda ley de la termodinámica , la cristalización de los líquidos puros suele comenzar a una temperatura inferior al punto de fusión , debido a la alta energía de activación de la nucleación homogénea . La creación del núcleo implica la formación de una interfaz en los límites de una nueva fase. Se gasta algo de energía en la formación de esta interfaz, en función de la energía superficial de cada fase. Si el núcleo hipotético es demasiado pequeño, la energía liberada durante la formación de su volumen no es suficiente para crear su superficie y no se produce la nucleación. La congelación no comienza hasta que la temperatura es lo suficientemente baja como para proporcionar suficiente energía para formar núcleos estables. En presencia de irregularidades en la superficie del recipiente huésped, impurezas sólidas o gaseosas, cristales sólidos preformados u otros agentes nucleantes , puede ocurrir una nucleación heterogénea , en la que se libera algo de energía cuando la interfase anterior se rompe parcialmente, elevando el sobreenfriamiento. punto cercano o igual al punto de fusión. El punto de fusión del agua a 1 atmósfera de presión está muy cerca de 0 °C (273,15 K) y en presencia de agentes nucleantes , el punto de congelación del agua está cerca del punto de fusión, pero en ausencia de agentes nucleantes, el agua se puede sobreenfriar a -40 ° C (233 K) antes de congelar. [4] [5] A alta presión (2000 atmósferas ), el agua se sobreenfriará a -70 °C (203 K) antes de congelarse. [6]
Exotermia
La congelación es casi siempre un proceso exotérmico, lo que significa que el calor y la presión se liberan cuando un líquido se convierte en sólido. Esto puede parecer contradictorio [7] ya que la temperatura de un material no aumenta durante la congelación, a menos que el líquido se sobreenfríe . Pero esto se puede entender de la siguiente manera: el calor debe eliminarse continuamente del líquido congelado, de lo contrario, el proceso de congelación se detendrá. La energía liberada durante la congelación es el calor latente y se conoce como entalpía de fusión, y es exactamente igual a la energía necesaria para fundir la misma cantidad de sólido.
El helio a baja temperatura es la única excepción conocida a la regla general. [8] El helio-3 tiene una entalpía de fusión negativa a temperaturas inferiores a 0,3 K. El helio-4 también tiene una entalpía de fusión ligeramente negativa por debajo de 0,8 K. Esto significa que, a presiones constantes apropiadas, se debe agregar calor a estas sustancias para para congelarlos... [9]
Vitrificación
Algunos materiales, como el vidrio y la glicerina , pueden solidificarse sin cristalizar; se llaman sólidos amorfos . Los materiales amorfos, como algunos polímeros , no tienen un punto de congelación ya que no hay un cambio de fase abrupto a ninguna temperatura en particular. En cambio, hay un cambio gradual en sus propiedades viscoelásticas en un cierto rango de temperatura. Dichos materiales se caracterizan por una transición vítrea que se produce a una temperatura de transición vítrea, que se puede definir aproximadamente como el punto de "rodilla" de la densidad del material frente a la gráfica de temperatura. Dado que la transición vítrea es un proceso de no equilibrio, no puede calificarse como congelación, que requiere un equilibrio entre los estados cristalino y líquido.
Extensión
Algunas sustancias, como el agua y el bismuto , se expanden cuando se congelan.
Congelación de organismos vivos
Muchos organismos vivos pueden tolerar largos períodos de tiempo a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua. La mayoría de los organismos vivos acumulan crioprotectores como proteínas antinucleares , polioles y glucosa para protegerse de las heladas , cristales de hielo afilados. En particular, la mayoría de las plantas pueden alcanzar con seguridad temperaturas entre -4°C y -12°C. Algunas bacterias , en particular Pseudomonas syringae , producen proteínas especializadas que sirven como poderosos núcleos de hielo que utilizan para forzar la formación de hielo en la superficie de varias frutas y plantas a alrededor de -2 °C. [10] La congelación daña el epitelio y hace que los nutrientes de los tejidos de la planta subyacente estén disponibles para las bacterias. [once]
Bacterias
Se informa que tres especies de bacterias sobreviven miles de años de congelación en hielo: Carnobacterium pleistocenium , así como Chryseobacterium greenlandensis y Herminiimonas glaciei .
Plantas
Muchas plantas se someten a un proceso llamado endurecimiento , que les permite sobrevivir por debajo de los 0 °C durante semanas o meses.
Animales
El nematodo Haemonchus contortus puede sobrevivir 44 semanas congelado a temperatura de nitrógeno líquido . Los nematodos Trichostrongylus colubriformis y Panagrolaimus davidi también toleran temperaturas por debajo de 0˚C. Muchas especies de reptiles y anfibios sobreviven a la congelación. Ver criobiología para una discusión completa.
Los gametos humanos y los embriones de 2, 4 y 8 células pueden sobrevivir a la congelación y son viables hasta por 10 años. Esta propiedad se utiliza en la crioconservación .
Los intentos experimentales de congelar humanos para renacer más tarde se están explorando dentro de la ciencia de la criónica .
Conservación de alimentos
La congelación es un método común de conservación de alimentos que retarda tanto la descomposición de los alimentos como el crecimiento de microorganismos . Además del efecto de las temperaturas más bajas sobre la velocidad de reacción , la congelación hace que el agua esté menos disponible para el crecimiento bacteriano .
Notas
- ↑ Diccionario internacional de refrigeración, http://dictionary.iifiir.org/search.php Archivado el 1 de octubre de 2019 en Wayback Machine .
- ↑ Terminología de ASHRAE, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology Archivado el 1 de junio de 2019 en Wayback Machine .
- ↑ Todo sobre el agar . sciencebuddies.org. Consultado el 27 de abril de 2011. Archivado desde el original el 3 de junio de 2011.
- ↑ Lundheim R. Importancia fisiológica y ecológica de los nucleadores biológicos de hielo // Philosophical Transactions of the Royal Society B : revista. - 2002. - vol. 357 , núm. 1423 . - Pág. 937-943 . -doi : 10.1098 / rstb.2002.1082 . — PMID 12171657 .
- ↑ Franks F. Nucleación del hielo y su gestión en los ecosistemas // Philosophical Transactions of the Royal Society A : diario. - 2003. - vol. 361 , núm. 1804 . - Pág. 557-574 . doi : 10.1098 / rsta.2002.1141 . - . —PMID 12662454 .
- ↑ AC; Jeffery. Nucleación homogénea de agua sobreenfriada: resultados de una nueva ecuación de estado // Revista de investigación geofísica : diario. - Noviembre 1997. - Vol. 102 , núm. D21 . - Pág. 25269-25280 . -doi : 10.1029/ 97JD02243 . - .
- ↑ ¿Qué es una reacción exotérmica? Archivado el 25 de abril de 2020 en Wayback Machine Scientific American , 1999
- ↑ Atkins, Peter & Jones, Loretta (2008), Principios químicos: la búsqueda del conocimiento (4.ª ed.), WH Freeman and Company, p. 236, ISBN 0-7167-7355-4
- ↑ Ott, J. Bevan & Boerio-Goates, Juliana (2000), Termodinámica química: Aplicaciones avanzadas , Academic Press, ISBN 0-12-530985-6
- ↑ Nucleación de hielo inducida por Pseudomonas syringae (neopr.) // Microbiología aplicada. - 1974. - T. 28 , N º 3 . - S. 456-459 . — PMID 4371331 .
- ↑ Nucleación y antinucleación de hielo en la naturaleza (neopr.) // Criobiología. - 2000. - T. 41 , N º 4 . - S. 257-279 . doi : 10.1006 / crio.2000.2289 . —PMID 11222024 .
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