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求真百科

凝固是指在温度降低时,物质由液态变为固态的过程,物质凝固时的温度称为凝固点。已知的液体几乎都可以在低温时凝固成为固体,是唯一的例外,常压下在绝对零度时仍为液体(液态氦),需加压才能凝固为固体[1] 。 大多数的物质其凝固点和熔点温度相同。但有些物质的凝固点和熔点会不一様。例如洋菜胶有热迟滞现象:在85 °C会熔化,而凝固点在31 °C至40 °C之间。

中文名:凝固

外文名:solidification

同义词:凝集

反义词:熔化

状态变化:液态变为固态

发生条件:温度降低

目录

结晶

主条目:结晶

许多液体在凝固时会结晶,形成晶体的固体。结晶的过程是一阶的热力学相变化,在液态固态共存的期间,系统的平衡温度不变,等于凝固点。结晶主要包括二个现象:成核和晶体生长。成核是指分子开始聚集形成晶核,在奈米尺度以已定义的周期形式排列,其排列方式决定了晶体结构。晶体生长就是晶体持续的变大,最后到达晶核的临界大小。

过冷

主条目:过冷

过冷是指液体低于熔点而没有凝固的现象。

因为匀相核化结晶的活化能,纯液体的结晶一般会在略低于熔点时开始。晶核的形成也表示形成新相和液体之间的相界面,此过程会消耗能量,能量大小依其表面能而定,假如要形成的晶核太小,形成晶核产生的能量无法形成界面,就不会开始成核的现象。一直要到温度够低,可以产生稳定的晶核,才会开始凝固。若容器的表面有不规则,或是有固体或气体的杂质,已经形成的固体结晶,或是存在成核剂或是振动,就可能会有非匀相核化结晶,其中一些相界面的破坏会释出能量,使得过冷点接近或等于熔点

水在一大气压下的熔点很接近0℃,若在存在成核剂的情形下,其凝固点会很接近熔点,但若没有成核剂时,在0℃以下就会出现过冷的现象,一直要到−40℃才会形成固体。若是在2,000大气压的高压下,水在−70℃之前都是处于过冷的状态。 [2]

放热反应

主条目:熔化热

凝固过程中多半会放热,也就是说当液体相变成固体时,会释放压力和能量能,这部分有些违反直觉,因为除了过冷液体外,液体在凝固时温体不会上升,但若无法持续的将能量由液体中移出,凝固过程就会停止。凝固释放的能量为潜热,一般称为熔化热,也等于等量固体在熔化时需要的能量。

低温的氦是已知唯一凝固时不会放热的物质。氦3在0.3K以下有负的熔化热,氦4在0.8K以下有相当轻微的负熔化热,这表示在特定的压力下,需要提供热量才能使氦凝固。

玻璃转化

主条目:玻璃转化

玻璃甘油等物质会在没有结晶的情形下凝固,这称为无定形体,无定形体也包括一些没有凝固点的聚合物,没有在某一特定温度下有突然的相变化,其粘弹性的特性是在一个温度范围内渐渐变化。这类物质有一性质称为玻璃转化温度,大约可以定义为物质的密度和温度图出现明显斜率变化的“膝点”。因为玻璃转化是一个非平衡的过程,在晶相和液相之间未达到平衡状态,一般不视为凝固。

低温下对生物体的影响

主条目:低温生物学

许多生物可以长期忍受摄氏零度以下低温。大部分生物会累积如抗冻蛋白多元醇葡萄糖等抗冻剂以避免体内的水结冻。大部分植物其至可以生存在−4°C至−12°C的低温。

像假单胞杆菌等细菌会产生特殊的蛋白质作为成核剂来,使得水果和植物表面在约−2°C时结冰,结冻会使得表皮组织受伤,使细菌可以得到中下层植物组织中的养份。

细菌

在冰冻上千年的冰块中分别有发现存活的更新世肉食杆菌格陵兰金黄杆菌及Herminiimonas glaciei。

植物

植物有一个称为健化的过程,可以使植物在零度以下存活数周到数个月。

动物

捻转血矛线虫可以在液态氮中存活44周。其他可以在0°C以下存活的线虫包括Trichostrongylus colubriformis及Panagrolaimus davidi。许多爬虫类及两栖类动物可以忍受0°C以下的低温。

人类的配子以及2,4,8个细胞胚胎可以在冰冻条件下生存到十年,此程序称为深低温保存。 人体冷冻技术是一种试验中的医学技术,把人体在极低温的情况下冷藏保存,并希望在未来通过先进的医疗科技使他们解 冻后复活及治疗。 [3]

食物保存

主条目:急冻食品

冷冻也是一种常见的食物保存法,可以减缓食物腐坏的速度以及微生物生长的速度。除了低温时化学反应速率变慢外,冷冻时也可以减少细菌生长所需要的液态水。


视频

神奇塑料平常是液体,紫外线一照就凝固,胶水和它比就是渣渣

参考文献

  1. [ 余长祥. 物理教学中引导学生自主学习的尝试. 《 VIP 》 , 2014]
  2. [唐联珍. 物理中的图像法. 《 今日中学生 》 , 2007]
  3. [Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana, Chemical Thermodynamics: Advanced Applications, Academic Press: 92–93, 2000, ISBN 0-12-530985-6]