냉동

Freezing
다른 용도는 동결(동음이의)을 참조하십시오.
얼음 조각에서 물이 뚝뚝 떨어지고 얼어서 고드름을 형성한다.

응고라고도 알려진 동결은 액체의 온도가 빙점 아래로 내려가면 고체로 변하는 상전이이다.국제적으로 확립된 정의에 따라 동결이란 일반적으로 냉각에 의한 액체의 응고상 변화 또는 물질의 액체 함유량을 의미한다.[1][2]

응고와 동결은 압력을 높임으로써 액체가 고체로 변하는 과정으로 구분하는 저자들도 있지만, 이 두 용어는 서로 교환할 수 있다.

대부분의 물질에서 녹는점과 어는점은 온도가 동일하지만, 특정 물질은 고액-액체 전이 온도가 다릅니다.예를 들어 한천은 녹는점과 어는점에 히스테리시스를 나타낸다.85°C(185°F)에서 녹고 32°C~40°C(89.6°F~104°F)[3]에서 응고됩니다.

결정화

주요 기사:결정화

대부분의 액체는 균일한 액체에서 결정화, 결정성 고체의 형성에 의해 동결된다.이것은 1차 열역학적 상전이므로 고체와 액체가 공존하고 있는 한 [citation needed]공기와 접촉할 때 열이 천천히 제거되기 때문에 전체 시스템의 온도가 녹는점과 거의 동일한 상태를 유지하며, 열 전도성이 떨어집니다.융해잠열로 인해 결빙이 크게 느려지고 결빙이 시작되면 기온이 더 이상 떨어지지 않고 [citation needed]끝나면 계속 떨어진다.

결정화는 두 가지 주요 사건, 즉 핵 생성과 결정 성장으로 구성됩니다."핵 제거"는 결정 구조를 정의하는 정의되고 주기적인 방식으로 배열되어 분자들이 나노미터 눈금으로 클러스터로 모이기 시작하는 단계입니다."결정 성장"은 임계 클러스터 크기를 달성하는 데 성공한 핵의 후속 성장입니다.동결과 용융의 열역학은 오늘날 컴퓨터 시뮬레이션과 함께 발전하는 물리 화학의 고전적인 분야입니다.[5]

과냉각

주요 기사:과냉각
과냉각수 내 얼음 결정의 신속한 형성(가정 냉동 실험)

열역학 제2법칙에도 불구하고, 순수한 액체의 결정화는 균질 핵생성의 높은 활성화 에너지 때문에 보통 녹는점보다 낮은 온도에서 시작됩니다.핵의 생성은 새로운 단계의 경계에서 계면의 형성을 의미한다.각 위상의 표면 에너지에 근거하여 이 계면을 형성하기 위해 일부 에너지가 소비됩니다.가상의 핵이 너무 작으면 부피를 형성함으로써 방출되는 에너지가 표면을 형성하기에 충분하지 않고 핵생성이 진행되지 않는다.안정된 핵을 형성하기에 충분한 에너지를 제공할 수 있을 정도로 온도가 낮을 때까지 동결이 시작되지 않는다.수용용기, 고체 또는 기체 불순물, 미리 형성된 고체 결정 또는 기타 핵생성체 표면에 요철이 있는 경우, 이전 계면의 부분 파괴에 의해 에너지가 방출되어 과냉각점이 융점에 근접하거나 같은 상태가 되는 이종핵생성이 발생할 수 있다.1기압에서 물의 녹는점은 0°C(32°F, 273.15K)에 매우 가깝고, 핵물질이 있는 경우 물의 어는점은 녹는점에 가깝지만 핵생성기가 없는 경우 물은 얼기 전에 -40°C(-40°F; 233K)까지 과냉각될 수 있다.[6][7] 고압(2,000기압)에서 물은 냉동되기 전에 -70°C(-94°F; 203K)까지 과냉각됩니다.[8]

발열성

주요 기사:융해 엔탈피

동결은 거의 항상 발열 과정이며, 이는 액체가 고체로 변화함에 따라 열과 압력이 방출된다는 것을 의미합니다.액체가 과냉각된 경우를 제외하고, 동결 중에는 재료의 온도가 상승하지 않기 때문에 이는 종종 [9]직관에 반하는 것으로 보입니다.하지만 이것은 얼린 액체에서 열이 지속적으로 제거되지 않으면 동결 과정이 중단되기 때문에 이해할 수 있다.동결 시 방출되는 에너지는 잠열이며, 핵융합 엔탈피로 알려져 있으며 고체의 같은 양을 녹이는 데 필요한 에너지와 정확히 동일합니다.

저온 헬륨은 일반적인 [10]규칙에서 유일하게 알려진 예외입니다.헬륨-3은 0.3K 미만의 온도에서 음의 핵융합 엔탈피를 가지고 있다.헬륨-4는 또한 0.8K 미만의 매우 약간 음의 핵융합 엔탈피를 가지고 있다.즉, 적절한 일정한 압력에서 이러한 물질을 [11]동결하기 위해 열을 가해야 합니다.

유리화

주요 기사: 유리 이행

유리나 글리세롤과 같은 특정 물질은 결정화되지 않고 굳을 수 있다; 이것들은 비정질 고체라고 불린다.비정질 재료와 일부 폴리머는 특정 온도에서 급격한 상변화가 없기 때문에 응고점이 없습니다.대신, 일정 온도 범위에 걸쳐 점탄성 특성이 점진적으로 변화합니다.이러한 재료는 유리 전이 온도에서 발생하는 유리 천이를 특징으로 하며, 대략적으로 재료 밀도 대 온도 그래프의 "무릎" 점으로 정의할 수 있습니다.유리화는 비균형 과정이기 때문에 동결로 간주되지 않으며, 이는 결정과 액체 상태 사이의 평형을 필요로 한다.

팽창

물질의 크기는 가열되면 커지거나 팽창합니다.가열로 인한 물체의 크기 증가를 열팽창이라고 합니다.열팽창은 모든 물체와 모든 물질 상태에서 발생합니다.그러나 물질마다 동일한 온도 상승에 대한 팽창 속도가 다릅니다.

생물 동결

주요 기사:저온생물학

많은 생물들은 물의 어는점 이하의 온도에서 오랜 시간을 견딜 수 있다.대부분의 생물들은 날카로운 얼음 결정으로 인한 서리 피해로부터 스스로를 보호하기 위해 항핵 단백질, 폴리올, 포도당과 같은 저온 보호제를 축적한다.특히 대부분의 식물은 -4°C에서 -12°C의 온도에 안전하게 도달할 수 있다.특정 박테리아, 특히 Pseudomonas syringae는 약 -2°C에서 다양한 [12]과일과 식물의 표면에 얼음을 형성하기 위해 사용하는 강력한 얼음 핵 생성기 역할을 하는 특수 단백질을 생산한다.동파는 상피 손상을 일으키고 밑에 [13]있는 식물 조직의 영양분을 박테리아가 이용할 수 있게 만든다.

박테리아

보도에 따르면 카르노박테리움 플레이스토세늄과 크리서박테리움 그린란드엔시스, 헤르미니모나스 글라시에이 등 3종의 박테리아가 얼음 속에서 수천 년 동안 살아남은 후 되살아났다.

식물

많은 식물들은 경화라고 불리는 과정을 거치는데, 이것은 그들이 몇 주에서 몇 달 동안 섭씨 0도 이하의 온도에서 살아남을 수 있게 해줍니다.

동물

선충 해몬쿠스 콘토르투스는 액체 질소 온도에서 냉동된 상태로 44주간 생존할 수 있다.0°C 미만의 온도에서 생존하는 다른 선충으로는 Trichostrongylus colubriformis와 Panagrolaimus davidi가 있다.많은 종류의 파충류와 양서류는 얼음을 견뎌낸다.자세한 내용은 저온 생물학을 참조하십시오.

인간 생식체와 2세포, 4세포, 8세포 배아는 냉동상태에서 생존할 수 있으며 냉동상태로 알려진 과정인 10년까지 생존할 수 있다.

나중에 부활하기 위해 인간을 동결시키려는 실험적인 시도는 냉동술로 알려져 있다.

식품 보존

주요 기사:냉동식품

냉동은 식품의 부패와 미생물의 성장을 늦추는 일반적인 식품 보존 방법입니다.낮은 온도가 반응 속도에 미치는 영향 외에도, 냉동은 박테리아 증식에 물을 덜 이용하게 만든다. 냉동은 1842년까지 가장 오래되고 널리 사용되는 음식 보존 방법 중 하나이다. 냉동은 얼음과 소금물에 엄청나게 사용되어 왔다.냉동 시, 향미, 냄새 및 영양 함량은 일반적으로 변경되지 않습니다.냉동은 기계식 냉동 기술의 등장(도입) 이후 상업적으로 적용되게 되었다.냉동은 상당수의 식품을 장기간 보존하기 위해 성공적으로 사용되었으며, 이는 상당한 유통기한을 제공한다.냉동 보존은 일반적으로 통조림 및 탈수보다 감각 속성과 영양 속성의 유지에 대해 우수하다고 간주된다.

「 」를 참조해 주세요.

테이블

물질의 상전이(
)
로.
부터
 단단한 액체. 가스 플라즈마
단단한 녹는 승화
액체. 냉동 기화
가스 퇴적 응축 이온화
플라즈마 재결합

레퍼런스

  1. ^ 국제냉장사전, http://dictionary.iifiir.org/search.php
  2. ^ ASHRAE 용어집, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology
  3. ^ "All About Agar". Sciencebuddies.org. Archived from the original on 2011-06-03. Retrieved 2011-04-27.
  4. ^ Atkins PW (2017). Elements of physical chemistry. ISBN 978-0-19-879670-1. OCLC 982685277.
  5. ^ Pedersen UR, Costigliola L, Bailey NP, Schrøder TB, Dyre JC (August 2016). "Thermodynamics of freezing and melting". Nature Communications. 7 (1): 12386. Bibcode:2016NatCo...712386P. doi:10.1038/ncomms12386. PMC 4992064. PMID 27530064.
  6. ^ Lundheim R (July 2002). "Physiological and ecological significance of biological ice nucleators". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences. 357 (1423): 937–43. doi:10.1098/rstb.2002.1082. PMC 1693005. PMID 12171657.
  7. ^ Franks F (March 2003). "Nucleation of ice and its management in ecosystems" (PDF). Philosophical Transactions. Series A, Mathematical, Physical, and Engineering Sciences. 361 (1804): 557–74, discussion 574. Bibcode:2003RSPTA.361..557F. doi:10.1098/rsta.2002.1141. PMID 12662454. S2CID 25606767.
  8. ^ Jeffery CA, Austin PH (November 1997). "Homogeneous nucleation of supercooled water: Results from a new equation of state". Journal of Geophysical Research. 102 (D21): 25269–25280. Bibcode:1997JGR...10225269J. CiteSeerX 10.1.1.9.3236. doi:10.1029/97JD02243.
  9. ^ 발열 반응이란 무엇입니까?사이언티픽 아메리칸, 1999
  10. ^ Atkins P, Jones L (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4th ed.), W. H. Freeman and Company, p. 236, ISBN 978-0-7167-7355-9
  11. ^ Ott JB, Boerio-Goates J (2000). Chemical Thermodynamics: Advanced Applications. Academic Press. pp. 92–93. ISBN 0-12-530985-6.
  12. ^ Maki LR, Galyan EL, Chang-Chien MM, Caldwell DR (September 1974). "Ice nucleation induced by pseudomonas syringae". Applied Microbiology. 28 (3): 456–9. doi:10.1128/aem.28.3.456-459.1974. PMC 186742. PMID 4371331.
  13. ^ Zachariassen KE, Kristiansen E (December 2000). "Ice nucleation and antinucleation in nature". Cryobiology. 41 (4): 257–79. doi:10.1006/cryo.2000.2289. PMID 11222024.

외부 링크

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