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凝固とは、液体の温度が凝固点以下に下がると、液体が固体に変化する相転移のことである。[ 1 ] [ 2 ]
ほとんどの物質では、融点と凝固点は同じ温度ですが、特定の物質は異なる固体-液体転移温度を持っています。たとえば、寒天は融点と凝固点にヒステリシスを示します。85 °C (185 °F)で融解し、 32 ～ 40 °C (90 ～ 104 °F)で固化します。[ 3 ]
ほとんどの液体は結晶化によって凍結します。結晶化とは、均一な液体から結晶性の固体が形成される過程です。これは一次の熱力学的相転移であり、固体と液体が共存している限り、系全体の温度は融点に非常に近い状態を保ちます。これは、熱伝導率の低い空気と接触することで熱がゆっくりと放出されるためです。融解潜熱があるため、凍結は大幅に遅くなり、一度凍結が始まると温度はそれ以上下がりませんが、凍結が完了すると温度は下がり続けます。
結晶化は、核生成と結晶成長という2つの主要な過程から成ります。核生成とは、分子がナノメートルスケールで集まり始め、結晶構造を規定する規則的な配列を形成する段階です。結晶成長とは、臨界クラスターサイズに達した核がその後成長していく過程です。
純粋な液体の結晶化は、均一核生成の活性化エネルギーが高いため、通常は融点よりも低い温度で始まります。核の生成は、新しい相の境界に界面が形成されることを意味します。この界面を形成するために、各相の表面エネルギーに基づいてエネルギーが消費されます。仮想的な核が小さすぎると、その体積を形成することによって放出されるエネルギーは、その表面を形成するのに十分ではなく、核生成は進行しません。凝固は、安定した核を形成するのに十分なエネルギーが得られるほど温度が低くなるまで始まりません。容器の表面に不規則性、固体または気体の不純物、あらかじめ形成された固体結晶、またはその他の核生成物質が存在する場合、不均一核生成が発生する可能性があり、その場合、以前の界面が部分的に破壊されることによってエネルギーが放出され、過冷却点が融点に近いか、または融点と等しくなります。1気圧での水の融点は0 ℃（32 °F、273K ）に非常に近く、核形成物質が存在すると水の凝固点は融点に近いが、核形成物質がない場合、水は凍結する前に-40 ℃（-40 °F、233K ）まで過冷却されることがある。[ 4 ] [ 5 ]高圧（2,000気圧）下では、水は凍結する前に-70 ℃（-94 °F、203K ）まで過冷却される。[ 6 ]
凝固はほぼ常に発熱反応であり、液体が固体に変化する際に熱と圧力が放出されます。液体が過冷却状態にある場合を除き、凝固中に物質の温度は上昇しないため、これは直感に反するように思われることがあります。しかし、これは、凝固中の液体から熱を継続的に除去しなければ凝固プロセスが停止してしまうため、理解できます。凝固時に放出されるエネルギーは潜熱であり、融解エンタルピーとして知られ、同じ量の固体を融解させるのに必要なエネルギーと全く同じです。
低温ヘリウムは、一般的な規則に対する唯一の既知の例外である。[ 7 ]ヘリウム3は、0.3 K以下の温度で負の融解エンタルピーを持つ。ヘリウム4も、0.8 K以下でごくわずかに負の融解エンタルピーを持つ。これは、適切な定圧下では、これらの物質を凍結させるために熱を加える必要があることを意味する。 [ 8 ]
ガラスやグリセロールなどの特定の物質は、結晶化せずに硬化することがあります。これらは非晶質固体と呼ばれます。非晶質物質や一部のポリマーは、特定の温度で急激な相変化が起こらないため、凝固点を持ちません。その代わりに、粘弾性特性が温度範囲にわたって徐々に変化します。このような物質は、ガラス転移温度で起こるガラス転移によって特徴づけられます。ガラス転移温度は、物質の密度と温度の関係を示すグラフの「変曲点」としておおよそ定義できます。ガラス化は非平衡プロセスであるため、結晶状態と液体状態の間の平衡を必要とする凍結とは異なります。
多くの生物は、水の凝固点以下の温度で長期間耐えることができます。ほとんどの生物は、鋭い氷の結晶による霜害から身を守るために、抗核タンパク質、ポリオール、グルコースなどの凍結防止物質を蓄積します。特にほとんどの植物は、-4 ° C から-12 ° C の温度に安全に耐えることができます。特定の細菌、特にPseudomonas syringae は、強力な氷核形成剤として機能する特殊なタンパク質を生成し、それを使用して約-2 ° Cでさまざまな果物や植物の表面に氷を形成させます。[ 9 ]凍結により上皮に損傷が生じ、下にある植物組織の栄養素が細菌に利用可能になります。[ 10 ]
カルノバクテリウム・プレイストセニウム、クリセオバクテリウム・グリーンランデンシス、ヘルミニイモナス・グラシエイの3種の細菌が、氷の中で数千年間凍結された後、蘇生したと報告されている。
多くの植物は「耐寒性獲得」と呼ばれる過程を経て、0 ℃以下の気温でも数週間から数ヶ月間生き延びることができるようになる。
線虫のヘモンクス・コントルタスは、液体窒素温度で44週間凍結しても生存できる。0 ℃以下の温度で生存できる他の線虫には、トリコストロンギルス・コルブリフォルミスやパナグロライムス・ダビディなどがある。爬虫類や両生類の多くの種も凍結に耐えることができる。
ヒトの配偶子や2細胞期、4細胞期、8細胞期の胚は凍結保存が可能で、最長10年間生存可能である。このプロセスは凍結保存として知られている。
人間を冷凍保存して後で蘇生させる実験的な試みは、クライオニクスとして知られている。
冷凍は、食品の腐敗と微生物の増殖の両方を遅らせる一般的な食品保存方法です。低温が反応速度に及ぼす影響に加えて、冷凍は細菌の増殖に必要な水分を減少させます。[ 11 ]冷凍は、広く使用されている食品保存方法です。冷凍は一般的に風味、香り、栄養価を保持します。
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