Gyógyító

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. február 20-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 3 szerkesztést igényelnek .

A megszilárdulás ( megszilárdulás , fagyás , fagyás is ) egy olyan fázisátalakulás , amelyben a folyadék szilárd halmazállapotúvá válik, ha a hőmérséklete a fagypont alá csökken . Egy nemzetközileg elfogadott definíció szerint a fagyasztás a folyadék megszilárdulási fázisában vagy az anyag folyadéktartalmában bekövetkezett változást jelent, általában lehűlés következtében [1] [2] .

Bár egyes szerzők megkülönböztetik a megszilárdulást a fagyasztástól , mint az a folyamat, amelynek során a folyadék szilárd halmazállapotúvá válik, ha a nyomást növelik, a két kifejezést felcserélhetően használják.

A legtöbb anyag olvadáspontja és fagyáspontja megegyezik; néhány anyag azonban eltérő szilárd-folyadék átmeneti hőmérséklettel rendelkezik. Például az agar hiszterézist mutat olvadáspontján és fagyáspontján. 85°C-on megolvad és 32°C és 40°C közötti hőmérséklet-tartományban megkeményedik [3] .

Kristályosítás

A legtöbb folyadék kristályosítással fagy meg , amely egy homogén folyadékból kristályos szilárd anyag képződik . Ez egy elsőrendű termodinamikai fázisátalakulás , ami azt jelenti, hogy amíg szilárd és folyékony együtt léteznek, addig a teljes rendszer hőmérséklete majdnem megegyezik az olvadásponttal a levegővel érintkezve a hő lassú eltávolítása miatt, ami egy rossz hővezető. Az olvadás látens hője miatt a fagyás jelentősen lelassul, és a hőmérséklet már nem csökken, ha a fagyás elkezdődik, hanem tovább csökken, amikor véget ér. A kristályosítás két fő eseményből áll, a nukleációból és a kristálynövekedésből. A nukleáció az a szakasz, amikor a molekulák nanométeres léptékű klaszterekké kezdenek összeállni , amelyek meghatározott és periodikus mintázatba rendeződnek, amely meghatározza a kristályszerkezetet . A kristálynövekedés olyan magok későbbi növekedése, amelyek elérik a kritikus klaszterméretet.

Hipotermia

A termodinamika második főtétele ellenére a tiszta folyadékok kristályosodása általában az olvadáspontnál alacsonyabb hőmérsékleten indul meg , a homogén nukleáció magas aktiválási energiája miatt . A mag létrehozása egy interfész kialakítását jelenti egy új fázis határain. Az egyes fázisok felületi energiája alapján ennek az interfésznek a kialakításához némi energia költ el . Ha a hipotetikus mag túl kicsi, akkor a térfogata kialakulása során felszabaduló energia nem elegendő a felszín létrehozásához, és nem történik magképződés. A fagyasztás csak akkor kezdődik el, amikor a hőmérséklet elég alacsony ahhoz, hogy elegendő energiát biztosítson a stabil magok kialakításához. A befogadóedény felületén lévő egyenetlenségek, szilárd vagy gáznemű szennyeződések, előre kialakult szilárd kristályok vagy egyéb gócképző anyagok jelenlétében heterogén gócképződés léphet fel , amelyben az előző határfelület részleges megszakadásakor energia szabadul fel, növelve a túlhűtést. pont az olvadásponthoz közeli vagy azzal egyenlő. A víz olvadáspontja 1 atmoszféra nyomáson nagyon közel van a 0 °C-hoz (273,15 K), és gócképző szerek jelenlétében a víz fagyáspontja közel van az olvadásponthoz, de gócképző anyagok hiányában a víz fagyasztás előtt -40 °C-ra (233 K) túlhűthető . [4] [5] Nagy nyomáson (2000 atmoszféra ) a víz -70 °C-ra (203 K) túlhűl, mielőtt megfagyna. [6]

Exotermitás

A fagyás szinte mindig exoterm folyamat, vagyis hő és nyomás szabadul fel, amikor a folyadék szilárd anyaggá alakul. Ez ellentétesnek tűnhet [7] , mivel az anyag hőmérséklete nem emelkedik fagyasztás közben, kivéve, ha a folyadék túlhűtve van . De ez a következőképpen érthető: a hőt folyamatosan el kell távolítani a fagyott folyadékból, különben a fagyási folyamat leáll. A fagyás során felszabaduló energia a látens hő , és a fúzió entalpiájaként ismert , és pontosan megegyezik az azonos mennyiségű szilárd anyag megolvasztásához szükséges energiával.

Az alacsony hőmérsékletű hélium az egyetlen ismert kivétel az általános szabály alól. [8] A hélium-3 fúziós entalpiája negatív 0,3 K alatti hőmérsékleten. A hélium-4 fúziós entalpiája enyhén negatív 0,8 K alatti hőmérsékleten is. Ez azt jelenti, hogy megfelelő állandó nyomáson hőt kell hozzáadni ezekhez az anyagokhoz annak érdekében, hogy lefagyasztani őket.. [9]

Vitrifikáció

Egyes anyagok, mint például az üveg és a glicerin , kristályosodás nélkül megszilárdulhatnak; amorf szilárd anyagoknak nevezzük őket . Az amorf anyagoknak, mint egyes polimereknek , nincs fagyáspontjuk, mivel nincs hirtelen fázisváltozás egyetlen hőmérsékleten sem. Ehelyett a viszkoelasztikus tulajdonságaik fokozatosan megváltoznak egy bizonyos hőmérsékleti tartományban. Az ilyen anyagokat az üvegesedési hőmérsékleten végbemenő üvegesedés jellemzi, amely nagyjából az anyagsűrűség -hőmérséklet görbe "térdpontjaként" definiálható. Mivel az üvegesedés nem egyensúlyi folyamat, nem minősíthető fagyásnak, amihez egyensúlyra van szükség a kristályos és a folyékony halmazállapot között.

Kiterjesztés

Egyes anyagok, mint például a víz és a bizmut , fagyáskor kitágulnak.

Élő szervezetek fagyása

Sok élő szervezet képes elviselni hosszú ideig a víz fagypontja alatti hőmérsékletet. A legtöbb élő szervezet olyan fagyvédő anyagokat halmoz fel , mint például antinukleációs fehérjék , poliolok és glükóz , hogy megvédjék magukat a fagytól és az éles jégkristályoktól. A legtöbb növény biztonságosan elérheti a -4°C és -12°C közötti hőmérsékletet. Egyes baktériumok , nevezetesen a Pseudomonas syringae , speciális fehérjéket termelnek, amelyek erős jégmagokként szolgálnak, amelyek segítségével -2°C körüli hőmérsékleten jégképződést kényszerítenek ki különféle gyümölcsök és növények felületén. [10] A fagyás károsítja a hámszövetet, és a baktériumok számára elérhetővé teszi a tápanyagokat az alatta lévő növény szöveteiben. [tizenegy]

Baktériumok

A jelentések szerint három baktériumfaj élte túl a több ezer éves jégben való fagyot: a Carnobacterium pleistocenium , valamint a Chryseobacterium greenlandensis és a Herminiimonas glaciei .

Növények

Sok növény átesik a keményedésnek nevezett folyamaton , amely lehetővé teszi számukra, hogy 0 °C alatti hőmérsékleten heteken vagy hónapokon át túléljenek.

Állatok

A Haemonchus contortus fonálféreg folyékony nitrogén hőmérsékleten fagyasztva 44 hétig képes túlélni . A Trichostrongylus colubriformis és a Panagrolaimus davidi fonálférgek is elviselik a 0°C alatti hőmérsékletet. Számos hüllő- és kétéltűfaj túléli a fagyást. A teljes beszélgetéshez lásd a kriobiológiát .

Az emberi ivarsejtek és a 2, 4 és 8 sejtes embriók túlélik a fagyást, és akár 10 évig is életképesek. Ezt a tulajdonságot mélyhűtésnél használják .

A krionika tudományán belül kutatják az emberek lefagyasztására irányuló kísérleti kísérleteket a későbbi újjászületés érdekében .

Élelmiszerek tartósítása

A fagyasztás az élelmiszerek elterjedt tartósítási módja , amely mind az élelmiszerek lebomlását, mind a mikroorganizmusok növekedését késlelteti . Amellett, hogy az alacsonyabb hőmérséklet hatással van a reakciósebességre , a fagyasztás kevésbé teszi elérhetővé a vizet a baktériumok szaporodásához .

Jegyzetek

  1. ↑ International Dictionary of Refrigeration, http://dictionary.iifiir.org/search.php Archiválva : 2019. október 1., a Wayback Machine -nél
  2. ↑ ASHRAE terminológia, https://www.ashrae.org/technical-resources/free-resources/ashrae-terminology Archiválva 2019. június 1-én a Wayback Machine -nél
  3. ↑ Minden az Agarról . sciencebuddies.org. Letöltve: 2011. április 27. Az eredetiből archiválva : 2011. június 3..
  4. ↑ Lundheim R. A biológiai jégmagok fiziológiai és ökológiai jelentősége  // Philosophical  Transactions of the Royal Society B  : folyóirat. - 2002. - 20. évf. 357. sz . 1423 . - P. 937-943 . - doi : 10.1098/rstb.2002.1082 . — PMID 12171657 .
  5. ↑ Franks F. A jég magképződése és kezelése az ökoszisztémákban  // Philosophical  Transactions of the Royal Society A : folyóirat. - 2003. - 1. évf. 361. sz . 1804 . - P. 557-574 . doi : 10.1098 / rsta.2002.1141 . - . — PMID 12662454 .
  6. ↑ CA; Jeffery. Túlhűtött víz homogén nukleációja: egy új állapotegyenlet eredményei  //  Journal of Geophysical Research : folyóirat. - 1997. november . 102 , sz. D21 . - P. 25269-25280 . - doi : 10.1029/97JD02243 . - Iránykód .
  7. ↑ Mi az exoterm reakció? Archiválva : 2020. április 25., a Wayback Machine Scientific American , 1999
  8. ↑ Atkins, Peter és Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4. kiadás), WH Freeman and Company, p. 236, ISBN 0-7167-7355-4 
  9. ↑ Ott, J. Bevan és Boerio-Goates, Juliana (2000), Chemical Thermodynamics: Advanced Applications , Academic Press, ISBN 0-12-530985-6 
  10. ↑ Pseudomonas syringae (neopr.) által kiváltott jégmagképződés  // Alkalmazott mikrobiológia. - 1974. - T. 28 , 3. sz . - S. 456-459 . — PMID 4371331 . 
  11. ↑ Jégmagképződés és antinukleáció a természetben  (neopr.)  // Kriobiológia. - 2000. - T. 41 , 4. sz . - S. 257-279 . doi : 10.1006 / cryo.2000.2289 . — PMID 11222024 .

Linkek

  Ugrás a Wikidata elemre  Szótárak és enciklopédiák
Bibliográfiai katalógusokban