Solidificación

La congelación, también conocida como solidificación, 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 del contenido líquido de una sustancia, generalmente debido al enfriamiento.

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 son 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 funde a 85 °C (185 °F) y se solidifica de 32 °C a 40 °C (89,6 °F a 104 °F).

Cristalización

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

La cristalización consta de dos eventos principales, la nucleación y el crecimiento de cristales. La "nucleación" es el paso en el que las moléculas comienzan a reunirse en grupos, en la escala nanométrica, disponiéndose 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 racimo. La termodinámica de congelación y fusión es una disciplina clásica dentro de la química física, que hoy en día se desarrolla en conjunto con simulaciones por computadora.

Sobreenfriamiento

A pesar de la segunda ley de la termodinámica, la cristalización de los líquidos puros suele comenzar a una temperatura más baja que el punto de fusión, debido a la alta energía de activación de la 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, en función de 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 procede. 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 para 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.A alta presión (2000 atmósferas), el agua se sobreenfriará hasta -70 °C (-94 °F; 203 K) antes de congelarse.

Exotermia

La congelación es casi siempre un proceso exotérmico, lo que significa que a medida que el líquido se transforma en sólido, se libera calor y presión. Esto a menudo se considera contrario a la intuición, ya que la temperatura del material no aumenta durante la congelación, excepto si el líquido se superenfrió. Pero esto se puede entender ya que el calor debe eliminarse continuamente del líquido de congelación 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. El helio-3 tiene una entalpía de fusión negativa a temperaturas por debajo de 0,3 K. El helio-4 también tiene una entalpía de fusión ligeramente negativa por debajo de 0,8 K. Esto significa que, a presiones constantes apropiadas, se debe agregar calor a estas sustancias para congelarlos.

Vitrificación

Ciertos materiales, como el vidrio y el glicerol, pueden endurecerse sin cristalizar; estos se llaman 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, que requiere un equilibrio entre el estado cristalino y líquido.

Expansión

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

Congelación de organismos vivos.

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 antinucleares, polioles y glucosa para protegerse contra el daño por heladas causado por 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. La congelación provoca lesiones en el epitelio y hace que los nutrientes de los tejidos vegetales subyacentes estén disponibles para las bacterias.

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 el hielo.

Plantas

Muchas plantas se someten a un proceso llamado endurecimiento, que les permite sobrevivir a temperaturas inferiores a 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 son 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 10 años, un proceso conocido como criopreservación.

Los intentos experimentales de congelar seres humanos para revivirlos más tarde se conocen como criónica.

Conservación de los alimentos

La congelación es un método común de conservación de alimentos que ralentiza tanto la descomposición de los alimentos como el crecimiento de microorganismos. Además del efecto de las temperaturas más bajas sobre 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 hizo 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, proporcionando una vida útil significativamente mayor. La conservación por congelación generalmente se considera superior al enlatado y la deshidratación con respecto a la retención de atributos sensoriales y atributos nutritivos.