Einfrieren - Freezing

Wasser tropft von einer Eisplatte und gefriert dann zu Eiszapfen .

Gefrieren ist ein Phasenübergang, bei dem eine Flüssigkeit in einen Feststoff übergeht, wenn ihre Temperatur unter ihren Gefrierpunkt gesenkt wird. Unter Gefrieren versteht man nach der international etablierten Definition die Erstarrungsphasenänderung einer Flüssigkeit oder der Flüssigkeitsgehalt eines Stoffes, meist durch Abkühlung .

Obwohl einige Autoren das Erstarren vom Gefrieren als einen Prozess unterscheiden, bei dem eine Flüssigkeit durch Druckerhöhung in einen Feststoff übergeht, werden die beiden Begriffe synonym verwendet.

Bei den meisten Stoffen haben Schmelz- und Gefrierpunkt die gleiche Temperatur; bestimmte Stoffe besitzen jedoch unterschiedliche Fest-Flüssig-Übergangstemperaturen. Zum Beispiel Agar zeigt eine Hysterese in seinem Schmelzpunkt und Gefrierpunkt. Es schmilzt bei 85 °C (185 °F) und erstarrt von 32 °C bis 40 °C (89,6 °F bis 104 °F).

Kristallisation

Die meisten Flüssigkeiten gefrieren durch Kristallisation , Bildung von kristallinem Feststoff aus der einheitlichen Flüssigkeit. Dies ist ein thermodynamischer Phasenübergang erster Ordnung , was bedeutet, dass, solange fest und flüssig koexistieren, die Temperatur des gesamten Systems aufgrund der langsamen Wärmeabfuhr bei Kontakt mit Luft sehr nahe am Schmelzpunkt bleibt , was a schlechter Wärmeleiter. Aufgrund der latenten Schmelzwärme wird das Gefrieren stark verlangsamt und die Temperatur sinkt nicht mehr, sobald das Gefrieren beginnt, sondern sinkt weiter, wenn es beendet ist.

Kristallisation besteht aus zwei Hauptereignissen, der Keimbildung und dem Kristallwachstum . "Keimbildung" ist der Schritt, bei dem die Moleküle beginnen, sich zu Clustern auf der Nanometerskala zu sammeln , die sich in einer definierten und periodischen Weise anordnen, die die Kristallstruktur definiert . "Kristallwachstum" ist das anschließende Wachstum der Kerne, denen es gelingt, die kritische Clustergröße zu erreichen. Die Thermodynamik des Gefrierens und Schmelzens ist eine klassische Disziplin der physikalischen Chemie, die sich heute in Verbindung mit Computersimulationen entwickelt.

Unterkühlung

Schnelle Bildung von Eiskristallen in unterkühltem Wasser (Heimgefrierexperiment)

Trotz des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik beginnt die Kristallisation reiner Flüssigkeiten aufgrund der hohen Aktivierungsenergie der homogenen Keimbildung normalerweise bei einer niedrigeren Temperatur als dem Schmelzpunkt . Die Bildung eines Kerns impliziert die Bildung einer Grenzfläche an den Grenzen der neuen Phase. Zur Bildung dieser Grenzfläche wird etwas Energie aufgewendet, basierend auf der Oberflächenenergie jeder Phase. Wenn ein hypothetischer Kern zu klein ist, reicht die Energie, die bei der Bildung seines Volumens freigesetzt würde, nicht aus, um seine Oberfläche zu erzeugen, und die Keimbildung schreitet nicht fort. Das Gefrieren beginnt erst, wenn die Temperatur niedrig genug ist, um genügend Energie zur Bildung stabiler Kerne bereitzustellen. Bei Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des Behälters, festen oder gasförmigen Verunreinigungen, vorgeformten festen Kristallen oder anderen Keimbildnern kann eine heterogene Keimbildung auftreten, bei der durch die teilweise Zerstörung der vorherigen Grenzfläche etwas Energie freigesetzt wird, wodurch der Unterkühlungspunkt erhöht wird nahe oder gleich dem Schmelzpunkt sein. Der Schmelzpunkt von Wasser bei 1 Atmosphäre Druck liegt sehr nahe bei 0 °C (32 °F, 273,15 K), und in Gegenwart von keimbildenden Substanzen liegt der Gefrierpunkt von Wasser nahe dem Schmelzpunkt, aber in Abwesenheit von Nukleatoren Wasser kann auf –40 °C (–40 °F; 233 K) unterkühlen , bevor es gefriert. Unter hohem Druck (2.000 Atmosphären ) wird Wasser auf bis zu -70 °C (-94 °F; 203 K) unterkühlt, bevor es gefriert.

Exothermie

Das Gefrieren ist fast immer ein exothermer Prozess, d. h. wenn Flüssigkeit in Feststoff übergeht, werden Wärme und Druck freigesetzt. Dies wird oft als kontraintuitiv angesehen, da die Temperatur des Materials beim Gefrieren nicht ansteigt, es sei denn, die Flüssigkeit wurde unterkühlt . Dies ist jedoch verständlich, da der Gefrierflüssigkeit ständig Wärme entzogen werden muss oder der Gefrierprozess stoppt. Die beim Gefrieren freigesetzte Energie ist eine latente Wärme und wird als Schmelzenthalpie bezeichnet und entspricht genau der Energie, die erforderlich ist, um die gleiche Menge des Festkörpers zu schmelzen .

Niedertemperatur- Helium ist die einzige bekannte Ausnahme von der allgemeinen Regel. Helium-3 hat eine negative Schmelzenthalpie bei Temperaturen unterhalb von 0,3 K Helium-4 hat auch eine sehr leicht negative Schmelzenthalpie unter 0,8 K. Dies bedeutet , dass bei geeignetem konstantem Druck, Wärme muß hinzugefügt , um diese Stoffe , um friere sie ein.

Verglasung

Bestimmte Materialien wie Glas und Glycerin können ohne Kristallisation aushärten; diese werden amorphe Feststoffe genannt . Amorphe Materialien sowie einige Polymere haben keinen Gefrierpunkt, da es bei keiner bestimmten Temperatur zu einem abrupten Phasenwechsel kommt. Stattdessen gibt es eine allmähliche Änderung ihrer viskoelastischen Eigenschaften über einen Temperaturbereich. Solche Materialien sind durch einen Glasübergang gekennzeichnet , der bei einer Glasübergangstemperatur auftritt , die grob als der "Knie"-Punkt des Dichte-Temperatur-Diagramms des Materials definiert werden kann. Da die Vitrifikation ein Nichtgleichgewichtsprozess ist, gilt sie nicht als Gefrieren, das ein Gleichgewicht zwischen dem kristallinen und dem flüssigen Zustand erfordert.

Erweiterung

Einige Stoffe wie Wasser und Wismut dehnen sich beim Einfrieren aus.

Einfrieren lebender Organismen

Viele lebende Organismen können längere Zeit bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser vertragen. Die meisten lebenden Organismen sammeln Kryoschutzmittel wie Antikernproteine , Polyole und Glukose an, um sich vor Frostschäden durch scharfe Eiskristalle zu schützen . Vor allem die meisten Pflanzen können unbedenklich Temperaturen von -4 °C bis -12 °C erreichen. Bestimmte Bakterien , insbesondere Pseudomonas syringae , produzieren spezialisierte Proteine, die als potente Eiskeimbildner dienen, mit denen sie die Eisbildung auf der Oberfläche verschiedener Früchte und Pflanzen bei etwa -2 °C erzwingen. Das Einfrieren verursacht Verletzungen in den Epithelien und macht die Nährstoffe im darunter liegenden Pflanzengewebe für die Bakterien verfügbar.

Bakterien

Drei Bakterienarten, Carnobacterium pleistocenium , sowie Chryseobacterium greenlandensis und Herminiimonas glaciei , wurden Berichten zufolge wiederbelebt, nachdem sie Tausende von Jahren in Eis eingefroren überlebt hatten.

Pflanzen

Viele Pflanzen durchlaufen einen Prozess namens Aushärtung , der es ihnen ermöglicht, Temperaturen unter 0 °C wochen- bis monatelang zu überleben.

Tiere

Der Nematode Haemonchus contortus kann 44 Wochen eingefroren bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff überleben . Andere Nematoden, die bei Temperaturen unter 0 °C überleben, sind Trichostrongylus colubriformis und Panagrolaimus davidi . Viele Reptilien- und Amphibienarten überleben das Einfrieren. Eine ausführliche Diskussion finden Sie unter Kryobiologie .

Menschliche Gameten und 2-, 4- und 8-zellige Embryonen können das Einfrieren überleben und sind bis zu 10 Jahre lebensfähig, ein Prozess, der als Kryokonservierung bekannt ist .

Experimentelle Versuche, Menschen für eine spätere Wiederbelebung einzufrieren, werden als Kryonik bezeichnet .

Lebensmittelkonservierung

Das Einfrieren ist eine gängige Methode zur Konservierung von Lebensmitteln , die sowohl den Verderb von Lebensmitteln als auch das Wachstum von Mikroorganismen verlangsamt . Neben dem Einfluss niedriger Temperaturen auf die Reaktionsgeschwindigkeiten macht das Gefrieren Wasser für das Bakterienwachstum weniger verfügbar . Das Einfrieren ist bereits 1842 eine der ältesten und am weitesten verbreiteten Methoden zur Konservierung von Lebensmitteln. Beim Einfrieren bleiben Geschmack, Geruch und Nährstoffgehalt im Allgemeinen unverändert. Das Einfrieren wurde nach dem Aufkommen (Einführung) der mechanischen Kühlung kommerziell anwendbar. Das Einfrieren wurde erfolgreich für die Langzeitkonservierung vieler Lebensmittel eingesetzt, was eine signifikant verlängerte Haltbarkeit bietet. Die Gefrierkonservierung wird allgemein als der Konservenkonservierung und Dehydratisierung in Bezug auf die Beibehaltung der sensorischen und nahrhaften Eigenschaften überlegen angesehen.

Siehe auch

Tisch

Phasenübergänge der Materie ( )
Zu
Von
Fest Flüssig Gas Plasma
Fest Schmelzen Sublimation
Flüssig Einfrieren Verdampfung
Gas Ablage Kondensation Ionisation
Plasma Rekombination

Verweise

Externe Links