Congelación

La 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 la definición establecida internacionalmente, congelación significa el cambio de fase de solidificación de un líquido o el contenido líquido de una sustancia, generalmente debido al enfriamiento . [1] [2]

Agua que gotea de una losa de hielo y luego se congela, formando carámbanos .

Aunque algunos autores diferencian la solidificación de la congelación como un proceso en el que un líquido se convierte en sólido al aumentar la presión, los dos términos se usan indistintamente.

Para la mayoría de las sustancias, los puntos de fusión y congelación están a la misma temperatura; sin embargo, ciertas sustancias poseen diferentes temperaturas de transición sólido-líquido. Por ejemplo, el agar muestra una histéresis en su punto de fusión y punto de congelación. Se derrite a 85 ° C (185 ° F) y solidifica de 32 ° C a 40 ° C (89.6 ° F a 104 ° F). [3]

La mayoría de los líquidos se congelan por cristalización , formando un sólido cristalino a partir del líquido uniforme. Esta es una transición de fase termodinámica de primer orden , lo que significa que mientras coexistan el sólido y el líquido, la temperatura de todo el sistema permanece casi igual al punto de fusión debido a la lenta eliminación del calor cuando está en contacto con el aire, lo cual es un problema. mal conductor de calor. [ cita requerida ] Debido al calor latente de fusión , la congelación se ralentiza mucho y la temperatura ya no bajará una vez que comience la congelación, pero seguirá bajando una vez que termine. [ cita requerida ]

La cristalización consta de dos eventos principales, nucleación y crecimiento de cristales . La "nucleación" es el paso en el que las moléculas comienzan a reunirse en grupos, en la escala nanométrica , ordenándose de una manera definida y periódica que define la estructura cristalina . El "crecimiento cristalino" es el crecimiento posterior de los núcleos que logran alcanzar el tamaño crítico del clúster. La termodinámica de congelación y fusión es una disciplina clásica dentro de la química física, [4] que hoy en día se desarrolla en conjunto con simulaciones por computadora. [5]

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Formación rápida de cristales de hielo en agua superenfriada (experimento del congelador doméstico)

A pesar de la segunda ley de la termodinámica , la cristalización de líquidos puros suele comenzar a una temperatura más baja que el punto de fusión , debido a la alta energía de activación de nucleación homogénea . La creación de un núcleo implica la formación de una interfaz en los límites de la nueva fase. Se gasta algo de energía para formar esta interfaz, según la energía superficial de cada fase. Si un núcleo hipotético es demasiado pequeño, la energía que se liberaría al formar su volumen no es suficiente para crear su superficie y la nucleación no prosigue. 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 contenedor, impurezas sólidas o gaseosas, cristales sólidos preformados u otros nucleadores, puede ocurrir una nucleación heterogénea , donde se libera algo de energía por la destrucción parcial de la interfaz anterior, elevando el punto de sobreenfriamiento. estar cerca o igual al punto de fusión. El punto de fusión del agua a 1 atmósfera de presión está muy cerca de 0 ° C (32 ° F, 273,15 K), y en presencia de sustancias nucleantes, el punto de congelación del agua está cerca del punto de fusión, pero en ausencia de El agua de los nucleadores puede sobreenfriarse a -40 ° C (-40 ° F; 233 K) antes de congelarse. [6] [7] Bajo alta presión (2000 atmósferas ), el agua se sobreenfría a un mínimo de −70 ° C (−94 ° F; 203 K) antes de congelarse. [8]

La congelación es casi siempre un proceso exotérmico , lo que significa que a medida que el líquido se convierte en sólido, se libera calor y presión. Esto a menudo se considera contrario a la intuición, [9] ya que la temperatura del material no aumenta durante la congelación, excepto si el líquido se sobreenfría . Pero esto se puede entender ya que el calor debe eliminarse continuamente del líquido congelante o el proceso de congelación se detendrá. La energía liberada al congelarse es un calor latente , y se conoce como entalpía de fusión y es exactamente la misma que la energía requerida para derretir la misma cantidad de sólido.

El helio a baja temperatura es la única excepción conocida a la regla general. [10] 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 muy ligeramente negativa por debajo de 0,8 K. Esto significa que, a presiones constantes adecuadas, se debe añadir calor a estas sustancias. para congelarlos. [11]

Ciertos materiales, como el vidrio y el glicerol , pueden endurecerse sin cristalizar; estos se denominan sólidos amorfos . Los materiales amorfos, así como algunos polímeros, no tienen un punto de congelación, ya que no hay un cambio de fase abrupto a ninguna temperatura específica. En cambio, hay un cambio gradual en sus propiedades viscoelásticas en un rango de temperaturas. Dichos materiales se caracterizan por una transición vítrea que se produce a una temperatura de transición vítrea , que puede definirse aproximadamente como el punto de "rodilla" del gráfico de densidad frente a temperatura del material. Debido a que la vitrificación es un proceso de no equilibrio, no califica como congelación, lo que requiere un equilibrio entre el estado cristalino y líquido.

Algunas sustancias, como el agua y el bismuto , se expanden cuando se congelan.

Muchos organismos vivos pueden tolerar períodos prolongados de tiempo a temperaturas por debajo del punto de congelación del agua. La mayoría de los organismos vivos acumulan crioprotectores como proteínas antinucleantes , polioles y glucosa para protegerse contra el daño de las heladas por los cristales de hielo afilados. La mayoría de las plantas, en particular, pueden alcanzar con seguridad temperaturas de -4 ° C a -12 ° C. Ciertas bacterias , en particular Pseudomonas syringae , producen proteínas especializadas que sirven como potentes nucleadores de hielo, que utilizan para forzar la formación de hielo en la superficie de varias frutas y plantas a aproximadamente -2 ° C. [12] La congelación causa lesiones en el epitelio y hace que los nutrientes de los tejidos vegetales subyacentes estén disponibles para las bacterias. [13]

Bacterias

Según los informes , tres especies de bacterias, Carnobacterium pleistocenium , así como Chryseobacterium greenlandensis y Herminiimonas glaciei , han revivido después de sobrevivir durante miles de años congeladas en hielo.

Plantas

Muchas plantas se someten a un proceso llamado endurecimiento , que les permite sobrevivir a temperaturas por debajo de 0 ° C durante semanas o meses.

Animales

El nematodo Haemonchus contortus puede sobrevivir 44 semanas congelado a temperaturas de nitrógeno líquido . Otros nematodos que sobreviven a temperaturas inferiores a 0 ° C incluyen Trichostrongylus colubriformis y Panagrolaimus davidi . 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, un proceso conocido como criopreservación .

Los intentos experimentales de congelar a los seres humanos para un avivamiento posterior se conocen como criónica .

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 temperaturas más bajas en las velocidades de reacción , la congelación hace que el agua esté menos disponible para el crecimiento de bacterias . La congelación es uno de los métodos de conservación de alimentos más antiguos y más utilizados desde 1842; la congelación se ha utilizado inmensamente en una salmuera de hielo y sal. En la congelación, los sabores, el olor y el contenido nutricional generalmente permanecen sin cambios. La congelación se volvió comercialmente aplicable después del advenimiento (introducción) de la refrigeración mecánica. La congelación se ha empleado con éxito para la conservación a largo plazo de muchos alimentos, lo que proporciona una vida útil prolongada significativa. La conservación por congelación se considera generalmente superior al enlatado y la deshidratación con respecto a la retención de los atributos sensoriales y nutritivos.

  • Grado de helada
  • Congelación instantánea
  • Congelación fraccionada
  • escarcha
  • Micro-tirando hacia abajo
  • Efecto mpemba
  • Diagrama de fases

Transiciones de fase de la materia (
  • v
  • t
  • mi
)
basicA
Sólido Líquido Gas Plasma
De Sólido Derritiendo Sublimación
Líquido Congelación Vaporización
Gas Declaración Condensación Ionización
Plasma Recombinación

  1. ^ Diccionario internacional de refrigeración, http://dictionary.iifiir.org/search.php
  2. ^ Terminología de ASHRAE, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology
  3. ^ "Todo sobre el agar" . Sciencebuddies.org. Archivado desde el original el 3 de junio de 2011 . Consultado el 27 de abril de 2011 .
  4. ^ Atkins PW (2017). Elementos de la química física . ISBN 978-0-19-879670-1. OCLC  982685277 .
  5. ^ Pedersen UR, Costigliola L, Bailey NP, Schrøder TB, Dyre JC (agosto de 2016). "Termodinámica de congelación y fusión" . Comunicaciones de la naturaleza . 7 (1): 12386. Bibcode : 2016NatCo ... 712386P . doi : 10.1038 / ncomms12386 . PMC  4992064 . PMID  27530064 .
  6. ^ Lundheim R (julio de 2002). "Importancia fisiológica y ecológica de los nucleadores de hielo biológicos" . Transacciones filosóficas de la Royal Society de Londres. Serie B, Ciencias Biológicas . 357 (1423): 937–43. doi : 10.1098 / rstb.2002.1082 . PMC  1693005 . PMID  12171657 .
  7. ^ Franks F (marzo de 2003). "Nucleación del hielo y su gestión en ecosistemas" ( PDF ) . Transacciones filosóficas. Serie A, Ciencias Matemáticas, Físicas e Ingeniería . 361 (1804): 557–74, discusión 574. Bibcode : 2003RSPTA.361..557F . doi : 10.1098 / rsta.2002.1141 . PMID  12662454 . S2CID  25606767 .
  8. ^ Jeffery CA, Austin PH (noviembre de 1997). "Nucleación homogénea de agua sobreenfriada: resultados de una nueva ecuación de estado". Revista de Investigación Geofísica . 102 (D21): 25269–25280. Código Bibliográfico : 1997JGR ... 10225269J . CiteSeerX  10.1.1.9.3236 . doi : 10.1029 / 97JD02243 .
  9. ^ ¿Qué es una reacción exotérmica? Scientific American , 1999
  10. ^ Atkins P, Jones L (2008), Principios químicos: La búsqueda de la percepción (4ª ed.), WH Freeman and Company, p. 236, ISBN 978-0-7167-7355-9
  11. ^ Ott JB, Boerio-Goates J (2000). Termodinámica química: aplicaciones avanzadas . Prensa académica. págs. 92–93. ISBN 0-12-530985-6.
  12. ^ Maki LR, Galyan EL, Chang-Chien MM, Caldwell DR (septiembre de 1974). "Nucleación de hielo inducida por pseudomonas syringae" . Microbiología aplicada . 28 (3): 456–9. doi : 10.1128 / aem.28.3.456-459.1974 . PMC  186742 . PMID  4371331 .
  13. ^ Zachariassen KE, Kristiansen E (diciembre de 2000). "Nucleación y antinucleación del hielo en la naturaleza". Criobiología . 41 (4): 257–79. doi : 10.1006 / cryo.2000.2289 . PMID  11222024 .

  • Medios relacionados con la congelación en Wikimedia Commons
  • Video de un compuesto intermetálico solidificando / congelando