Sasalšana

Vikipēdijas lapa
Jump to navigation Jump to search

Sasalšana ir fāžu pāreja, kad matērija maina savu agregātstāvokli no šķidras uz cietu, ja tās temperatūra pazeminās zem sasalšanas punkta. Savukārt, sacietēšana ir līdzīgs process, kurā šķidrums pārvēršas par cietu, nepazeminot temperatūru, bet palielinot to ietekmējošo spiedienu. Neskatoties uz tehnisko iedalījumu, šie divi procesi ir ļoti līdzīgi un abi termini bieži vien tiek lietoti kā sinonīmi.

Lielākajai daļai vielu kušanas punkts (kušanas temperatūra) un sasalšanas punkts (sasalšanas temperatūra) ir vienāds (viena un tā pati temperatūra), tomēr dažām vielām piemīt atšķirīga pārejas temperatūra no cietas uz šķidru vielu. Piemēram, agars parāda histerēzi tās kušanas un sasalšanas punktā. Tas kūst pie 85 °C un sacietē no 32 °C līdz 40 °C.[1]

Kristalizācija[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Lielākā daļa šķidrumi sasalst kristalizācijas ceļā, veidojot kristālisku cietu vielu no viendabīga šķidruma. Kristalizācija ir pirmā veida termodinamiskā fāžu pāreja, respektīvi, kamēr cieta viela un šķidrums spēj pastāvēt vienlaicīgi, tikmēr temperatūra visā sistēmā ir ļoti līdzīga kušanas punkta temperatūrai, dēļ tā, ka gaisam piemīt zema siltuma atdeve (gaiss ir slikts siltuma vadītājs).

Pārdzesēšana[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Strauja ledus kristālu veidošanās pārdzesētā ūdenī (saldētavas eksperiments mājas apstākļos)

Neskatoties uz otro termodinamikas likumu, tīru šķidrumu kristalizācija parasti sākas pie zemākas temperatūras nekā kušanas punkts, saistībā ar augstu viendabīgas nukleācijas aktivācijas enerģiju. Kodola rašanās ietver saskares veidošanos jaunās pārejas fāzes ietvaros. Lai izveidotu šo saskari, balstoties uz katras fāzes virsmas enerģiju, daļa enerģijas tiek patērēta. Ja hipotētiskais kodols ir pārāk mazs, tad enerģija, ko tas izdalītu nebūtu pietiekama, lai radītu tā virsmu, un nukleācijas process neturpinātos. Sasalšana nesākas, kamēr temperatūra nav pietiekami zema, lai nodrošinātu pietiekami daudz enerģijas, lai veidotu stabilu kodolu. Dēļ neregularitātēm (piemaisījumi, pirms tam izveidojušies cieti kristāli) uz virsmas, var rasties neviendabīga nukleācija, t.i. iepriekšējās saskarnes daļējas iznīcināšanas dēļ daļa enerģijas ir atbrīvota, paaugstinot pārdzesēšanas punktu, kas gandrīz vai vienāds ar kušanas temperatūru. Kušanas temperatūra ūdenim pie atmosfēras spiediena ir ļoti tuvu 0 °C (273.15 K), toties nukleācijas vielu mijiedarbībā, sasalšanas temperatūra ūdenim ir tuvu kušanas temperatūrai, bet, ja ūdens nav mijiedarbībā ar nukleācijas vielām, tas var atdzist līdz −40 °C (−40 °F, 233 K) pirms sasalšanas.[2][3] Augsta spiediena ietekmē (2000 atmosfēras) ūdens pārdzesēsies līdz −70 °C (203 K) pirms sasalšanas.[4]

Eksotermija[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Sasalšana gandrīz vienmēr ir eksotermisks process, tas nozīmē, ka, šķidrumam pārvēršoties par cietu vielu, izdalās siltums. Tā kā vielas temperatūra sasalšanas procesā nepieaug (izņemot gadījumu, kad viela ir bijusi pārdzesēta), šī parādība bieži vien tiek uztverta pretrunīgi. Tas skaidrojams tā, ka siltums tiek nepārtraukti atdots no sasalstošā šķidruma, citādi sasalšanas process apstāsies. Enerģija, kas izdalās pēc sasaldēšanas ir latentais siltums, šī parādība ir pazīstama kā saplūšanas entalpija. Šī enerģija ir vienāda ar enerģiju, kas nepieciešama, lai izkausētu tieši tādu pašu daudzumu cietas vielas.

Zemas temperatūras hēlijs ir vienīgais zināmais izņēmums vispārējām noteikumam.[5] Hēlijam-3 piemīt negatīva saplūšanas entalpija temperatūrā zem -272,85 °C (0,3 K). Hēlijam-4 arī ir ļoti nedaudz negatīva saplūšanas entalpija zem -272,35 °C (0,8 K). Tas nozīmē, ka pie attiecīga, nemainīga spiediena, ir jāpievada siltums, lai sasaldētu šīs vielas.[6]

Vitrifikācija[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Daži materiāli, piemēram, stikls un glicerīns, var sacietēt bez kristalizācijas; tos sauc par amorfajām cietvielām. Amorfiem materiāliem, kā arī dažiem polimēriem, nav sasalšanas punkta, jo tiem nav straujas fāžu pārejas jebkādā temperatūrā. Tā vietā, ir pakāpeniskas izmaiņas to viskoelastīgajās īpašībās konkrētu temperatūru diapazonā. Šādiem materiāliem ir raksturīga stikla-šķidruma pāreja, kas notiek stikla-šķidruma pārejas temperatūrā, kas var būt aptuveni definēta kā "ceļgala" punkts materiāla blīvuma pret temperatūru grafikā. Tā kā vitrifikācija ir nelīdzsvarots process, tas nav uzskatāms par sasalšanu, jo sasalšana pieprasa līdzsvaru starp kristālisku fāzi un šķidru fāzi.

Izplešanās[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Parasti sasalstot šķidru vielu tilpums samazinās. Tomēr ir dažas vielas, piemēram, ūdens un bismuts, kas sasalstot izplešas.

Dzīvu organismu sasalšana[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Daudzi dzīvie organismi spēj izturēt ilgstošu laiku zem ūdens sasalšanas temperatūras. Lielākā daļa dzīvo organismu uzkrāj vielas, kas nodrošina aukstumaizsardzību, piemēram, nesasalstošās olbaltumvielas, poliolus un glikozi, lai aizsargātu sevi pret sala bojājumiem, ko izraisa asi ledus kristāli. Sasalšana izraisa bojājumus epitēlijā un padara barības vielas augu apakšējos audu slāņos pieejamas baktērijām.[7]

Baktērijas[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Trīs baktēriju sugas, Carnobacterium pleistocenium, Chryseobacterium greenlandensis un Herminiimonas glaciei, ir atdzīvinātas pēc tūkstošiem gadu ilgas iesalšanas ledū.

Augi[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Daudzi augi ir izturīgi pret aukstumu, tie spēj izdzīvot temperatūrā zem 0 °C nedēļām un mēnešiem.

Dzīvnieki[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Tārps Haemonchus contortus var izdzīvot 44 nedēļas iesaldēts šķidrā slāpekļa temperatūrā. Citi tārpi, kas spēj izdzīvot temperatūrā, kas zemāka par 0 °C, ir Trichostrongylus colubriformis un Panagrolaimus davidi. Daudzu sugu rāpuļi un abinieki pārdzīvo sasalšanu. Dzīvības izdzīvošanu aukstās temperatūrās pēta kriobioloģija.

Cilvēka dzimumšūnas un 2-, 4- un 8-šūnu embriji var pārdzīvot sasalšanu un ir dzīvotspējīgi līdz pat 10 gadiem. Dzimumšūnu uzglabāšanas process ir pazīstams kā aukstumuzglabāšana.

Eksperimentāli mēģinājumi iesaldēt cilvēku, lai vēlāk atdzīvinātu, ir zināmi kā krionika.

Pārtikas uzglabāšana[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Sasaldēšana ir plaši pielietota pārtikas uzglabāšanas metode, kas palēnina gan pārtikas sabojāšanos, gan mikroorganismu augšanu. Neskaitot zemo temperatūru ietekmi uz reakcijas ātrumu, saldēšana padara ūdeni mazāk pieejamu baktēriju augšanai.

Skatīt arī[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

Fāžu pārejas vielās
basic Uz
Ciets Šķidrs Gāze Plazma
No Ciets Kušana Sublimācija
Šķidrs Sacietēšana Iztvaikošana
Gāze Desublimācija Kondensācija Jonizācija
Plazma Rekombinācija

Atsauces[labot šo sadaļu | labot pirmkodu]

  1. «All About Agar». Sciencebuddies.org. Skatīts: 2011-04-27.
  2. Lundheim R. (2002). "Physiological and ecological significance of biological ice nucleators". Philosophical Transactions of the Royal Society B 357 (1423): 937–943. doi:10.1098/rstb.2002.1082. PMC 1693005. PMID 12171657.
  3. Franks F. (2003). "Nucleation of ice and its management in ecosystems". Philosophical Transactions of the Royal Society A 361 (1804): 557–574. doi:10.1098/rsta.2002.1141. PMID 12662454.
  4. Jeffery (November 1997). "Homogeneous nucleation of supercooled water: Results from a new equation of state". Journal of Geophysical Research 102 (D21): 25269–25280. doi:10.1029/97JD02243.
  5. Atkins, Peter; Jones, Loretta (2008), Chemical Principles: The Quest for Insight (4th izd.), W. H. Freeman and Company, p. 236, ISBN 0-7167-7355-4
  6. Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana (2000), Chemical Thermodynamics: Advanced Applications, Academic Press, pp. 92–93, ISBN 0-12-530985-6
  7. Zachariassen KE, Kristiansen E; Kristiansen (2000). "Ice nucleation and antinucleation in nature". Cryobiology 41 (4): 257–279. PMID 11222024.