Мгновенное замораживание - Flash freezing

В физика и химия, мгновенное замораживание это процесс, при котором объекты замораживаются всего за несколько часов^[1] подвергая их криогенный температуры, или через прямой контакт с жидкий азот при -196 ° C (-320,8 ° F). Обычно используется в пищевая промышленность.

Мгновенная заморозка имеет большое значение в наука об атмосфере, поскольку его изучение необходимо для правильного климатическая модель для формирования ледяные облака в верхнем тропосфера, которые эффективно рассеивают входящие солнечная радиация и предотвратить перегрев Земли из-за солнце.^[2]

Процесс также тесно связан с классическим зарождение теория, которая помогает нам понять многие материалы, явления и теории в связанных ситуациях.

Введение

Снежные кристаллы

Когда вода переохлаждена до температуры ниже -48 ° C (-54 ° F), она должна замерзнуть.^[3]

Замерзшая вода - центральная проблема климата, геологии и жизни.^[4] На земле лед и снег покрывают 10% суши и до 50% территории. Северное полушарие зимой.^[4] Полярные ледяные шапки отражают до 90% падающей солнечной радиации.^[4] Наука о замораживании воды зависит от множества факторов, в том числе от того, как замерзают капли воды, сколько воды находится в атмосфере, находится ли вода в жидком или кристаллическом состоянии, при какой температуре она замерзает и кристаллизуется ли она изнутри или с поверхности. .^[3][4]

Замораживание наноразмер вода или кремний Капли жидкости образуются на разных расстояниях от центра капли, что дает новое понимание давнего спора в области материал и химическая физика.^[4]

Когда вода в обычная морозильная камера, динамичный фаза перехода срабатывает.^[5] Образующийся лед зависит от того, насколько быстро система охлаждается: если вода охлаждается ниже точки замерзания медленно, в результате образуются кристаллы льда, а не поликристаллическое твердое вещество, образующееся при мгновенном замораживании.^[5]

Приложения и методы

Быстрое замораживание используется для криоконсервация.

Быстрое замораживание используется в пищевая промышленность быстро заморозить скоропортящиеся продукты предметы (см. замороженные продукты ). В этом случае пищевые продукты подвергаются воздействию температур значительно ниже^{[требуется разъяснение ]} вода точка плавления / замерзания. Таким образом, образуются более мелкие кристаллы льда, вызывающие меньший ущерб клеточные мембраны.^[6]

Методы мгновенного замораживания используются для быстрого замораживания биологических образцов, так что крупные кристаллы льда не могут образоваться и повредить образец.^[7] Это быстрое замораживание достигается путем погружения образца в жидкий азот или смесь сухой лед и этиловый спирт.^[8]

Американец изобретатель Кларенс Бердсай разработали процесс «быстрой заморозки» консервирование продуктов питания в 20 веке.^[9] Этот процесс был разработан американским изобретателем. Даниэль Типпманн^[10] создавая вакуум и всасывая холод на поддонах еда.

Результаты имеют важное значение в климат-контроль исследование. Один из текущих споров заключается в том, происходит ли образование льда у поверхности или внутри микрометр -размерные капли, подвешенные в облаках. Если это первый, эффективный инженерное дело подходы могут быть приняты для настройки поверхностное натяжение воды так что скорость кристаллизации льда можно контролировать.^[2]

Как замерзает вода

Существуют такие явления, как переохлаждение, при котором вода охлаждается ниже точки замерзания, но вода остается жидкой, если имеется слишком мало дефектов для затравки кристаллизации. Таким образом, можно наблюдать задержку до тех пор, пока вода не достигнет новой температуры ниже точки замерзания.^[5] Переохлажденная жидкая вода должна превратиться в лед при температуре минус 48 ° C (минус 55 ° F) не только из-за сильного холода, но и потому, что молекулярная структура воды физически изменяется, образуя форму тетраэдра, при этом каждая молекула воды слабо связана с четырьмя другими.^[3] Это говорит о структурном изменении от жидкого до «промежуточного льда».^[3] Кристаллизация льда из переохлажденной воды обычно инициируется процессом, называемым зародышеобразованием. Из-за скорости и размера зародышеобразования, которое происходит в пределах наносекунд и нанометров.^[2]

Поверхностная среда не играет решающей роли в образовании льда и снега.^[11] Колебания плотности внутри капель приводят к тому, что возможные области промерзания покрывают среднюю и поверхностную области.^[4] Замерзание с поверхности или изнутри может быть случайным.^[4] Однако в странном мире воды крошечные количества жидкой воды теоретически все еще присутствуют, даже когда температура опускается ниже минус 48 ° C (минус 55 ° F) и почти вся вода превратилась в твердую, либо в кристаллический лед, либо в аморфную воду. Ниже -48 ° C (-55 ° F) лед кристаллизуется слишком быстро, чтобы можно было измерить какие-либо свойства оставшейся жидкости.^[3] Скорость замораживания напрямую влияет на зарождение процесс и размер кристаллов льда. А переохлажденная жидкость будет оставаться в жидком состоянии ниже нормальной точки замерзания, когда у него мало возможностей для зарождение; то есть, если он достаточно чистый и имеет достаточно гладкую емкость. После взбалтывания она быстро превращается в твердое вещество. На последней стадии замерзания у капли льда появляется заостренный конец, который не наблюдается для большинства других жидкостей, поскольку вода расширяется при замерзании.^[11] Когда жидкость полностью замерзнет, ​​острый кончик капли притягивает водяной пар в воздухе, так же, как острый металлический громоотвод притягивает электрические заряды.^[11] Водяной пар собирается на кончике, и начинает расти дерево из мелких кристаллов льда.^[11] Было показано, что противоположный эффект предпочтительно извлекает молекулы воды из острых краев картофельных дольков в духовке.^[11]

Если микроскопическая капля воды охлаждается очень быстро, она образует так называемое стекло (аморфный лед низкой плотности), в котором все тетраэдры молекул воды не выстроены в ряд, а аморфны.^[3] Изменение структуры воды определяет скорость образования льда.^[3] В зависимости от температуры и давления водяной лед имеет 16 различных кристаллических форм, в которых молекулы воды сцепляются друг с другом водородными связями.^[3] Когда вода охлаждается, ее структура становится ближе к структуре льда, поэтому плотность уменьшается, и это должно отражаться в увеличении скорости кристаллизации, демонстрирующей эти кристаллические формы.^[3]

Связанные количества

Для понимания мгновенного замораживания могут быть полезны различные связанные величины.

Рост или зарождение кристаллов - это образование новой термодинамической фазы или новой структуры посредством самосборки. Нуклеация часто оказывается очень чувствительной к примесям в системе. Для зарождения новой термодинамической фазы, такой как образование льда в воде при температуре ниже 0 ° C, если система не развивается со временем и зарождение происходит за один этап, то вероятность того, что зародышеобразование не произошло, должна подвергаться экспоненциальному спаду. Это также можно наблюдать при зарождении льда в переохлажденных мелких каплях воды.^[12] Скорость затухания экспоненты дает скорость зародышеобразования и определяется выражением

${\displaystyle R\ =\ N_{S}Zj\exp \left({\frac {-\Delta G^{*}}{k_{B}T}}\right)}$

куда

• ${\displaystyle {\displaystyle \Delta G^{*}}}$ - стоимость свободной энергии ядра на вершине зародышевого барьера, kBT - тепловая энергия, где T - абсолютная температура, а kB - постоянная Больцмана.
• ${\displaystyle {\displaystyle N_{S}}}$ - количество центров зарождения.
• ${\displaystyle {\displaystyle j}}$ это скорость, с которой молекулы прикрепляются к ядру, вызывая его рост.
• ${\displaystyle {\displaystyle Z}}$ это то, что называется фактором Зельдовича Z. По сути, фактор Зельдовича - это вероятность того, что ядро ​​на вершине барьера будет продолжать формировать новую фазу, а не растворяться.

Разница в энергетических барьерах

Классическая теория нуклеации - это широко используемая приближенная теория для оценки этих скоростей и их изменения в зависимости от таких переменных, как температура. Он правильно предсказывает, что время, необходимое для зародышеобразования, чрезвычайно быстро уменьшается при пересыщении.^[13][14]

Нуклеацию можно разделить на гомогенную и гетерогенную. Сначала идет гомогенное зародышеобразование, потому что это намного проще. Классическая теория зародышеобразования предполагает, что для микроскопического зародыша новой фазы свободная энергия капли может быть записана как сумма объемного члена, пропорционального объемному и поверхностному члену.

${\displaystyle {\displaystyle \Delta G={\frac {4}{3}}\pi r^{3}\Delta g+4\pi r^{2}\sigma }}$

Первый член - это объемный член, и, если предположить, что ядро ​​сферическое, это объем сферы радиуса ${\displaystyle {\displaystyle r}}$. ${\displaystyle {\displaystyle \Delta g}}$ представляет собой разницу в свободной энергии на единицу объема между термодинамической фазой, в которой происходит зародышеобразование, и фазой, которая зарождается.

критический радиус зародыша, при некотором промежуточном значении ${\displaystyle {\displaystyle r}}$, свободная энергия проходит через максимум, а значит, вероятность образования зародыша проходит через минимум. Возникает наименее вероятное ядро, т.е. ядро ​​с наибольшим значением ${\displaystyle {\displaystyle \Delta G}}$ где

${\displaystyle {\displaystyle {\frac {dG}{dr}}=0}}$

Это называется критическим зародышем и происходит при критическом радиусе зародыша.

${\displaystyle {\displaystyle r^{*}=-{\frac {2\sigma }{\Delta g}}}}$

Добавление новых молекул к ядрам, превышающим этот критический радиус, уменьшает свободную энергию, поэтому эти ядра более вероятны.

Гетерогенное зародышеобразование, зарождение с ядром на поверхности, гораздо более распространено, чем гомогенное зарождение. Гетерогенное зародышеобразование обычно намного быстрее, чем гомогенное зародышеобразование, потому что барьер зарождения ${\displaystyle {\displaystyle \Delta G^{*}}}$ намного ниже на поверхности. Это связано с тем, что барьер зарождения возникает из положительного члена в свободной энергии ${\displaystyle {\displaystyle \Delta G}}$, который является поверхностным членом. Таким образом, в заключение, вероятность зародышеобразования наиболее высока на поверхности, а не в центре жидкости.

Давление Лапласа - это разница давлений внутри и снаружи криволинейной поверхности между областью газа и областью жидкости. Давление Лапласа определяется из уравнения Юнга – Лапласа, которое имеет вид

${\displaystyle \Delta P\equiv P_{\text{inside}}-P_{\text{outside}}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)}$.

где ${\displaystyle {\displaystyle R_{1}}}$ и ${\displaystyle {\displaystyle R_{2}}}$ - главные радиусы кривизны и ${\displaystyle {\displaystyle \gamma }}$ (также обозначается как ${\displaystyle {\displaystyle \sigma }}$) - поверхностное натяжение.

Поверхностное натяжение можно определить как силу или энергию. Поверхностное натяжение жидкости - это отношение изменения энергии жидкости к изменению площади поверхности жидкости (которое привело к изменению энергии). Его можно определить как ${\displaystyle \gamma ={\frac {W}{\Delta A}}}$. Эта работа W интерпретируется как потенциальная энергия.

использованная литература

1. http://www.wisegeek.org/what-is-flash-freezing.htm
2. «Лучшее понимание поведения воды при замерзании в наномасштабе». sciencedaily.com. Получено 2017-01-17.
3. «Переохлаждение: вода не должна замерзать до -48 C (-55 F)». sciencedaily.com. Получено 2017-01-17.
4. «Как замерзают капли воды: физика льда и снега». sciencedaily.com. Получено 2017-01-17.
5. «Сверхизлучающая материя: новая парадигма для изучения динамических фазовых переходов». sciencedaily.com. Получено 2017-01-17.
6. Да-Вен Сунь (2001), Достижения в области охлаждения пищевых продуктов, Йен-Кон Хунг, Криогенное охлаждение, стр. 318, Издание Ассоциации исследований пищевых продуктов Leatherhead, http://www.worldcat.org/title/advances-in-food-refrigeration/oclc/48154735
7. «Замораживающая ткань». Biotech.ufl.edu. Архивировано из оригинал 11 января 2012 г.. Получено 2009-07-03.
8. «Подготовка компетентных E. coli с растворами RF1 / RF2». Personal.psu.edu. Получено 2009-07-03.
9. «Быстрозамороженная еда в точности как свежая». Ежемесячный научно-популярный журнал, Сентябрь 1930 г., стр. 26–27.
10. http://www.google.com/patents/US20110107784
11. «Капли замерзающей воды образуют острые ледяные пики». sciencedaily.com. Получено 2017-01-17.
12. Дюфт, Д. (2004). Лабораторные доказательства преобладающего объема образования льда в микрокаплях переохлажденной воды. Химия и физика атмосферы.
13. Пруппахер. Клетт, Х. Р., Дж. Д. (1997). Микрофизика облаков и осадков. Kluwer.
14. Сир, Р.П. (2007). Нуклеация: теория и приложения к белковым растворам и коллоидным суспензиям. Physics Cond. Мэтт.