凝固 目录 結晶 過冷 放熱反應 玻璃轉化 低溫下對生物體的影響 食物保存 参见 相關條目 导航菜单多用途的氣體—氦氣Physiological and ecological significance of biological ice nucleatorsPMC 1693005PMID 12171657doi:10.1098/rstb.2002.1082Nucleation of ice and its management in ecosystemsBibcode:2003RSPTA.361..557FPMID 12662454doi:10.1098/rsta.2002.1141Bibcode:1997JGR...10225269Jdoi:10.1029/97JD02243What is an exothermic reaction?Ice nucleation induced by pseudomonas syringaePMC 186742PMID 4371331PMID 11222024doi:10.1006/cryo.2000.2289地球凍土層3萬年細菌仍存活 火星生命可能性增加原始内容极端条件下的生命溫度编30005388300562688

化学工程相变大气热力学HVAC低温生物学


溫度液態固態凝固點氦絕對零度液態氦凝固點熔點洋菜膠遲滯現象晶体凝固點成核晶体生长奈米晶体结构熔點熔點表面能過冷大氣壓過冷放熱過冷潛熱熔化熱氦氦3氦4玻璃甘油无定形体粘弹性玻璃转化温度斜率抗凍蛋白抗凍劑捻转血矛线虫线虫爬蟲類兩棲類配子胚胎深低溫保存人體冷凍技術試驗食物保存法微生物化學反應速率細菌




凝固是指在溫度降低時，物質由液態變為固態的過程，物質凝固時的溫度稱為凝固點。目前已知的液體幾乎都可以在低溫時凝固成為固體，氦是唯一的例外，常壓下在絕對零度時仍為液體（液態氦），需加壓才能凝固為固體[1]。


大多數的物質其凝固點和熔點溫度相同。但有些物質的凝固點和熔點會不一様。例如洋菜膠有熱遲滯現象：在85 °C會熔化，而凝固點在31 °C至40 °C之間。




目录





  • 1 結晶


  • 2 過冷


  • 3 放熱反應


  • 4 玻璃轉化


  • 5 低溫下對生物體的影響

    • 5.1 細菌


    • 5.2 植物


    • 5.3 動物



  • 6 食物保存


  • 7 参见


  • 8 相關條目




結晶


主条目：結晶

許多液體在凝固時會結晶，形成晶体的固體。結晶的過程是一階的熱力學相變化，在液態固態共存的期間，系統的平衡溫度不變，等於凝固點。結晶主要包括二個現象：成核和晶体生长。成核是指分子開始聚集形成晶核，在奈米尺度以已定義的週期形式排列，其排列方式決定了晶体结构。晶体生长就是晶體持續的變大，最後到達晶核的臨界大小。



過冷


主条目：過冷



File:SuperCool 2009-01-02.ogv播放媒体

過冷的水迅速形成冰塊


過冷是指液體低於熔點而沒有凝固的現象。


因為勻相核化結晶（英语：homogeneous nucleation）的活化能，純液體的結晶一般會在略低於熔點時開始。晶核的形成也表示形成新相和液體之間的相介面，此過程會消耗能量，能量大小依其表面能而定，假如要形成的晶核太小，形成晶核產生的能量無法形成介面，就不會開始成核的現象。一直要到溫度夠低，可以產生穩定的晶核，才會開始凝固。若容器的表面有不規則，或是有固體或氣體的雜質，已經形成的固體結晶，或是存在成核劑或是振動，就可能會有非勻相核化結晶，其中一些相介面的破壞會釋出能量，使得過冷點接近或等於熔點。


水在一大氣壓下的熔點很接近0 ℃，若在存在成核劑的情形下，其凝固點會很接近熔點，但若沒有成核劑時，水在0 ℃以下就會出現過冷的現象，一直要到−40 ℃才會形成固體[2][3]。若是在2,000大氣壓的高壓下，水在−70 ℃之前都是處於過冷的狀態[4]。



放熱反應


主条目：熔化熱

凝固過程中多半會放熱，也就是說當液體相變成固體時，會釋放壓力和能量，這部份有些違反直覺[5]，因為除了過冷液體外，液體在凝固時溫體不會上昇，但若無法持續的將能量由液體中移出，凝固過程就會停止。凝固釋放的能量為潛熱，一般稱為熔化熱，也等於等量固體在熔化時需要的能量。


低溫的氦是已知唯一凝固時不會放熱的物質[6]。氦3在0.3K以下有負的熔化熱，氦4在0.8K以下有相當輕微的負熔化熱，這表示在特定的壓力下，需要提供熱量才能使氦凝固[7]。



玻璃轉化


主条目：玻璃轉化

像玻璃或甘油等物質會在沒有結晶的情形下凝固，這稱為无定形体，无定形体也包括一些沒有凝固點的聚合物，沒有在某一特定溫度下有突然的相變化，其粘弹性的特性是在一個溫度範圍內漸漸變化。這類物質有一性質稱為玻璃转化温度，大約可以定義為物質的密度和溫度圖出現明顯斜率變化的「膝點」。因為玻璃轉化是一個非平衡的過程，在晶相和液相之間未達到平衡狀態，一般不視為凝固。



低溫下對生物體的影響


主条目：低温生物学

許多生物可以長期忍受攝氏零度以下低溫。大部份生物會累積如抗凍蛋白、多元醇，葡萄糖等抗凍劑以避免體內的水結凍。大部份植物其至可以生存在−4 °C至−12 °C的低溫。


像假单胞杆菌（英语：Pseudomonas syringae）等細菌會產生特殊的蛋白質作為成核劑來，使得水果和植物表面在約−2 °C時結冰[8]，結凍會使得表皮組織受傷，使細菌可以得到中下層植物組織中的養份[9]。



細菌


在冰凍上千年的冰塊中分別有發現存活的更新世肉食杆菌（英语：Carnobacterium pleistocenium）[10]、格陵蘭金黃桿菌（英语：Chryseobacterium greenlandensis）及Herminiimonas glaciei[11]。



植物


植物有一個稱為健化（英语：Hardening (botany)）的過程，可以使植物在零度以下存活數週到數個月[12]。



動物


捻转血矛线虫可以在液態氮中存活44週。其他可以在0 °C以下存活的线虫包括Trichostrongylus colubriformis及Panagrolaimus davidi。許多爬蟲類及兩棲類動物可以忍受0 °C以下的低溫。


人類的配子以及2,4,8個細胞的胚胎可以在冰凍條件下生存到十年，此程序稱為深低溫保存。


人體冷凍技術是一種試驗中的醫學技術，把人體在極低溫的情況下冷藏保存，並希望在未來通過先進的醫療科技使他們解凍後復活及治療。



食物保存


主条目：急凍食品

冷凍也是一種常見的食物保存法，可以減緩食物腐壞的速度以及微生物生長的速度。除了低溫時化學反應速率變慢外，冷凍時也可以減少細菌生長所需要的液態水。



参见



  • 升华

  • 沸腾

  • 蒸发

  • 融化

  • 霜

  • 姆潘巴现象

  • 相图



相關條目




  1. ^ 多用途的氣體—氦氣. 科學月刊. [2014-02-18]. 


  2. ^ Lundheim R. Physiological and ecological significance of biological ice nucleators. Philosophical Transactions of the Royal Society B. 2002, 357 (1423): 937–943. PMC 1693005. PMID 12171657. doi:10.1098/rstb.2002.1082. 


  3. ^ Franks F. Nucleation of ice and its management in ecosystems (PDF). Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2003, 361 (1804): 557–574. Bibcode:2003RSPTA.361..557F. PMID 12662454. doi:10.1098/rsta.2002.1141. 


  4. ^ Jeffery, CA; Austin, PH. Homogeneous nucleation of supercooled water: Results from a new equation of state. Journal of Geophysical Research. November 1997, 102 (D21): 25269–25280. Bibcode:1997JGR...10225269J. doi:10.1029/97JD02243. 


  5. ^ What is an exothermic reaction? Scientific American, 1999


  6. ^ Atkins, Peter; Jones, Loretta, Chemical Principles: The Quest for Insight 4th, W. H. Freeman and Company: 236, 2008, ISBN 0-7167-7355-4 


  7. ^ Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana, Chemical Thermodynamics: Advanced Applications, Academic Press: 92–93, 2000, ISBN 0-12-530985-6 


  8. ^ Maki LR, Galyan EL, Chang-Chien MM, Caldwell DR. Ice nucleation induced by pseudomonas syringae. Applied Microbiology. 1974, 28 (3): 456–459. PMC 186742. PMID 4371331. 


  9. ^ Zachariassen KE, Kristiansen E. Ice nucleation and antinucleation in nature. Cryobiology. 2000, 41 (4): 257–279. PMID 11222024. doi:10.1006/cryo.2000.2289. 


  10. ^ 地球凍土層3萬年細菌仍存活 火星生命可能性增加. 華翼網. 2005-02-25 [2014-02-18]. （原始内容存档于2014年2月25日）. 


  11. ^ 极端条件下的生命. 華夏地理雜誌. 2009-06-26 [2014-02-18]. [永久失效連結]


  12. ^ 溫度. 教育部 數位教學資源入口網. [2014-02-18]. 





















规范控制

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