凍結

凍結とは、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、特定の物質は固体から液体への転移温度が異なります。例えば、寒天は融点と凝固点にヒステリシスを示します。85℃（185℉）で溶け、32～40℃（90～104℉）で固まります。^[3]

ほとんどの液体は結晶化、つまり均一な液体から結晶固体の形成によって凍結します。これは一次熱力学的相転移であり、固体と液体が共存する限り、熱伝導率の低い空気と接触すると熱がゆっくりと除去されるため、システム全体の温度は融点とほぼ同じままです。 ^[要出典]融解潜熱のために、凍結は大幅に遅くなり、凍結が始まると温度はそれ以上下がらなくなりますが、凍結が終了すると下がり続けます。^[要出典]

結晶化は、核形成と結晶成長という2 つの主要なイベントから構成されます。 「核形成」は、分子がナノメートルスケールでクラスターに集まり始め、結晶構造を定義する特定の周期的な方法で配置されるステップです。「結晶成長」は、臨界クラスター サイズを達成することに成功した核のその後の成長です。

熱力学の第二法則にもかかわらず、均質核生成の活性化エネルギーが高いため、純粋液体の結晶化は通常、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。各相の表面エネルギーに基づいて、この界面を形成するためにいくらかのエネルギーが消費されます。仮想核が小さすぎると、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では表面を形成するのに不十分であり、核生成は進行しません。温度が十分に低くなり、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まで、凍結は始まりません。容器の表面に凹凸があったり、固体または気体の不純物、予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と、不均質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いくらかのエネルギーが放出され、過冷却点が融点近くか融点と等しくなります。1気圧での水の融点は0℃（32℉、273K）に非常に近く、核形成物質が存在する場合、水の凝固点は融点に近くなりますが、核形成物質がない場合、水は凍結する前に-40℃（-40℉、233K）まで過冷却することがあります。 ^{[4] [5]}高圧（2,000気圧）下では、水は凍結する前に-70℃（-94℉、203K）まで過冷却します。^[6]

凍結はほとんどの場合発熱プロセスであり、液体が固体に変化すると、熱と圧力が放出されます。これは、液体が過冷却されない限り、凍結中に物質の温度が上昇しないため、直感に反すると思われることがよくあります。しかし、凍結する液体から熱を継続的に除去しなければ凍結プロセスが停止するため、これは理解できます。凍結時に放出されるエネルギーは潜熱で、融解エンタルピーとして知られ、同量の固体を 溶かすために必要なエネルギーとまったく同じです。

低温ヘリウムは、この一般則の唯一の例外として知られています。^[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ちます。ヘリウム4も、0.8 K以下の温度でわずかに負の融解エンタルピーを持ちます。これは、適切な一定圧力で、これらの物質を凍結するには熱を加えなければならないことを意味します。^[8]

ガラスやグリセロールなどの特定の材料は、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。非晶質材料や一部のポリマーには凝固点がありません。特定の温度で急激な相変化が起こらないためです。代わりに、温度範囲にわたって粘弾性特性が徐々に変化します。このような材料は、ガラス転移温度でガラス転移が起こるという特徴があります。ガラス転移温度は、材料の密度と温度のグラフの「屈曲点」として大まかに定義できます。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みなされません。

物質は加熱されるとサイズが大きくなり、膨張します。加熱による物体のサイズの増大を熱膨張といいます。熱膨張はすべての物体および物質のすべての状態で起こります。ただし、同じ温度上昇に対して、物質によって膨張率は異なります。

多くの生物は、水の氷点以下の温度に長時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剤を蓄積します。特にほとんどの植物は、-4 °C から -12 °C の温度に安全に到達できます。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、約 -2 °C でさまざまな果物や植物の表面に氷の形成を強制します。^[9]凍結により上皮が損傷し、その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・グラシエの3種の細菌が、氷の中で数千年もの間生き延びた後、復活したと報告されている。^[要出典]

多くの植物は、硬化と呼ばれるプロセスを経て、0 °C 未満の温度でも数週間から数か月間生き延びることができます。

線虫Haemonchus contortus は、液体窒素の温度で凍結すると 44 週間生存できます。0 °C 未満の温度で生存する他の線虫には、 Trichostrongylus colubriformisやPanagrolaimus davidiなどがあります。爬虫類や両生類の多くの種は凍結しても生存します。

ヒトの配偶子および2細胞、4細胞、8細胞胚は凍結しても生き残り、最長10年間生存することができ、このプロセスは凍結保存として知られています。

人間を冷凍保存して後で蘇生させる実験的な試みは、冷凍保存として知られています。

冷凍は食品の腐敗と微生物の増殖を遅らせる一般的な食品保存方法です。低温が反応速度に与える影響に加え、凍結により細菌の増殖に利用できる水分が少なくなります。冷凍は食品保存に広く使用されています。冷凍により、一般的に風味、香り、栄養成分が保存されます。冷凍は商業的に実行可能になりました。

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• ウィキメディア・コモンズの凍結に関連するメディア
• 「凍結」。Merriam -Webster.com 辞書。Merriam-Webster。
• ヴセドニック化合物の凝固/凍結 2015-12-10 にWayback Machineでアーカイブ

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