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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。已知的液體幾乎都可以在低溫時凝固成為固體,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。

中文名:凝固

外文名:solidification

同義詞:凝集

反義詞:熔化

狀態變化:液態變為固態

發生條件:溫度降低

目錄

結晶

主條目:結晶

許多液體在凝固時會結晶,形成晶體的固體。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:成核和晶體生長。成核是指分子開始聚集形成晶核,在奈米尺度以已定義的周期形式排列,其排列方式決定了晶體結構。晶體生長就是晶體持續的變大,最後到達晶核的臨界大小。

過冷

主條目:過冷

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界面,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界面,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,其中一些相界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,在0℃以下就會出現過冷的現象,一直要到−40℃才會形成固體。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。 [2]

放熱反應

主條目: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,會釋放壓力和能量能,這部分有些違反直覺,因為除了過冷液體外,液體在凝固時溫體不會上升,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。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。

玻璃轉化

主條目:玻璃轉化

玻璃甘油等物質會在沒有結晶的情形下凝固,這稱為無定形體,無定形體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,其粘彈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轉化溫度,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

主條目:低溫生物學

許多生物可以長期忍受攝氏零度以下低溫。大部分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。大部分植物其至可以生存在−4°C至−12°C的低溫。

像假單胞桿菌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,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。

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桿菌格陵蘭金黃桿菌及Herminiimonas glaciei。

植物

植物有一個稱為健化的過程,可以使植物在零度以下存活數周到數個月。

動物

捻轉血矛線蟲可以在液態氮中存活44周。其他可以在0°C以下存活的線蟲包括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。 [3]

食物保存

主條目: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。


視頻

神奇塑料平常是液體,紫外線一照就凝固,膠水和它比就是渣渣

參考文獻

  1. [ 余長祥. 物理教學中引導學生自主學習的嘗試. 《 VIP 》 , 2014]
  2. [唐聯珍. 物理中的圖像法. 《 今日中學生 》 , 2007]
  3. [Ott, J. Bevan; Boerio-Goates, Juliana, Chemical Thermodynamics: Advanced Applications, Academic Press: 92–93, 2000, ISBN 0-12-530985-6]