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]
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 entra 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 no bajará más 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]
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, basada en la energía superficialde 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 nucleantesel punto de congelación del agua está cerca del punto de fusión, pero en ausencia de nucleadores, el agua puede sobreenfriarse a -40 ° C (-40 ° F; 233 K) antes de congelarse. [6] [7] A alta presión (2000 atmósferas ), el agua se sobreenfría a un mínimo de −70 ° C (−94 ° F; 203 K) antes de congelarse. [8]
