En física y química , la congelación repentina es el proceso mediante el cual los objetos se congelan rápidamente. [1] Esto se hace sometiéndolos a temperaturas criogénicas , o se puede hacer mediante contacto directo con nitrógeno líquido a -196 °C (-320,8 °F). Se utiliza comúnmente en la industria alimentaria .
La congelación repentina es de gran importancia en la ciencia atmosférica , ya que su estudio es necesario para un modelo climático adecuado para la formación de nubes de hielo en la troposfera superior , que dispersan efectivamente la radiación solar entrante y evitan que la Tierra se sobrecaliente por el sol . [2]
El proceso también está estrechamente relacionado con la teoría de la nucleación clásica , que ayuda a comprender muchos materiales, fenómenos y teorías en situaciones relacionadas.
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Cuando el agua se congela lentamente, los cristales crecen en menos sitios de nucleación, lo que da como resultado menos cristales y más grandes. Esto daña las paredes celulares y provoca la deshidratación celular . Cuando el agua se congela rápidamente, como ocurre en la congelación repentina, hay más sitios de nucleación y más cristales más pequeños. Esto da como resultado un daño mucho menor a las paredes celulares, proporcional a la velocidad de congelación. Esta es la razón por la que la congelación instantánea es buena para la conservación de alimentos y tejidos . [3]
La congelación instantánea se utiliza en la industria alimentaria para congelar rápidamente alimentos perecederos (ver alimentos congelados ). En este caso, los alimentos se someten a temperaturas muy por debajo [ se necesita aclaración ] del punto de congelación del agua . Así, se forman cristales de hielo más pequeños, que causan menos daño a las membranas celulares . [4]
Las técnicas de congelación instantánea se utilizan para congelar muestras biológicas rápidamente de modo que no se puedan formar grandes cristales de hielo que dañen la muestra. [5] Esta congelación rápida se realiza sumergiendo la muestra en nitrógeno líquido o en una mezcla de hielo seco y etanol . [6]
El inventor estadounidense Clarence Birdseye desarrolló el proceso de conservación de alimentos de "congelación rápida" en el siglo XX mediante un proceso criogénico. [7] En la práctica, generalmente se utiliza un proceso de congelación mecánica debido al costo. Se ha optimizado continuamente la velocidad de congelación en la congelación mecánica para minimizar el tamaño de los cristales de hielo. [3]
Los resultados tienen implicaciones importantes en la investigación del control climático . Uno de los debates actuales es si la formación de hielo se produce cerca de la superficie o dentro de gotas de tamaño micrométrico suspendidas en las nubes. Si es lo primero, es posible que se puedan adoptar enfoques de ingeniería eficaces para ajustar la tensión superficial del agua de modo que se pueda controlar la tasa de cristalización del hielo. [2]
Hay fenómenos como el sobreenfriamiento , en el que el agua se enfría por debajo de su punto de congelación , pero el agua permanece líquida si hay muy pocos defectos para favorecer la cristalización . Por lo tanto, se puede observar un retraso hasta que el agua se adapta a la nueva temperatura bajo cero. [8] El agua líquida sobreenfriada debe convertirse en hielo a -48 C (-55 F), no solo por el frío extremo, sino porque la estructura molecular del agua cambia físicamente para formar formas de tetraedro , con cada molécula de agua unida débilmente a otras cuatro. . [9] Esto sugiere el cambio estructural de líquido a "hielo intermedio". [9] La cristalización del hielo a partir de agua sobreenfriada generalmente se inicia mediante un proceso llamado nucleación. La velocidad y el tamaño de la nucleación se producen en nanosegundos y nanómetros . [2]
El entorno de la superficie no desempeña un papel decisivo en la formación de hielo y nieve . [10] Las fluctuaciones de densidad dentro de las gotas dan como resultado posibles regiones de congelación que cubren las regiones media y superficial. [11] La congelación desde la superficie o desde el interior puede ser aleatoria. [11] Sin embargo, en el extraño mundo del agua, en teoría todavía hay pequeñas cantidades de agua líquida, incluso cuando las temperaturas bajan de -48 °C (-54 °F) y casi toda el agua se ha vuelto sólida, ya sea en hielo cristalino . o agua amorfa. Por debajo de -48 °C (-54 °F), el hielo cristaliza demasiado rápido para poder medir cualquier propiedad del líquido restante. [9] La velocidad de congelación influye directamente en el proceso de nucleación y en el tamaño de los cristales de hielo. Un líquido sobreenfriado permanecerá en estado líquido por debajo del punto de congelación normal cuando tenga pocas oportunidades de nucleación; es decir, si es lo suficientemente puro y tiene un recipiente lo suficientemente liso. Una vez agitado, rápidamente se convertirá en un sólido. Durante la etapa final de congelación, una gota de hielo desarrolla una punta puntiaguda, que no se observa en la mayoría de los demás líquidos, y surge porque el agua se expande a medida que se congela. [10] Una vez que el líquido está completamente congelado, la punta afilada de la gota atrae el vapor de agua en el aire, de manera muy similar a como un pararrayos de metal afilado atrae cargas eléctricas . [10] El vapor de agua se acumula en la punta y un árbol de pequeños cristales de hielo comienza a crecer. [10] Se ha demostrado que un efecto opuesto extrae preferentemente moléculas de agua del borde afilado de las rodajas de papa en el horno. [10]
Si una gotita microscópica de agua se enfría muy rápidamente, se forma lo que se llama un vaso ( hielo amorfo de baja densidad ) en el que todos los tetraedros de las moléculas de agua no están alineados, sino amorfos. [9] El cambio en la estructura del agua controla la velocidad a la que se forma el hielo. [9] Dependiendo de su temperatura y presión, el hielo de agua tiene 16 formas cristalinas diferentes en las que las moléculas de agua se adhieren entre sí mediante enlaces de hidrógeno . [9] Cuando el agua se enfría, su estructura se acerca más a la estructura del hielo, por lo que la densidad disminuye, y esto debería reflejarse en una mayor tasa de cristalización que muestran estas formas cristalinas. [9]
Para comprender la congelación instantánea, pueden resultar útiles varias cantidades relacionadas.
El crecimiento o nucleación de cristales es la formación de una nueva fase termodinámica o una nueva estructura mediante el autoensamblaje. A menudo se encuentra que la nucleación es muy sensible a las impurezas del sistema. Para la nucleación de una nueva fase termodinámica, como la formación de hielo en agua por debajo de 0 °C (32 °F), si el sistema no evoluciona con el tiempo y la nucleación ocurre en un solo paso, entonces la probabilidad de que la nucleación no haya ocurrido debería sufren un decaimiento exponencial . Esto también se puede observar en la nucleación del hielo en pequeñas gotas de agua superenfriadas. [12] La tasa de desintegración del exponencial da la tasa de nucleación y está dada por
Dónde
La teoría clásica de la nucleación es una teoría aproximada ampliamente utilizada para estimar estas tasas y cómo varían con variables como la temperatura. Predice correctamente que el tiempo necesario para la nucleación disminuye extremadamente rápidamente cuando se sobresatura. [13] [14]
La nucleación se puede dividir en nucleación homogénea y nucleación heterogénea. Primero viene la nucleación homogénea, porque es mucho más sencilla. La teoría clásica de la nucleación supone que para un núcleo microscópico de una nueva fase, la energía libre de una gota se puede escribir como la suma de un término de volumen, proporcional a un término de volumen y de superficie.
El primer término es el término de volumen y, suponiendo que el núcleo es esférico, este es el volumen de una esfera de radio . es la diferencia de energía libre por unidad de volumen entre la fase termodinámica en la que se produce la nucleación y la fase en la que se está nucleando.
Radio crítico del núcleo, en algún valor intermedio de , la energía libre pasa por un máximo, por lo que la probabilidad de formación de un núcleo pasa por un mínimo. Hay un núcleo menos probable, es decir, el que tiene el valor más alto de donde
Esto se llama núcleo crítico y ocurre en un radio de núcleo crítico.
La adición de nuevas moléculas a núcleos mayores que este radio crítico disminuye la energía libre, por lo que estos núcleos son más probables.
La nucleación heterogénea, la nucleación con el núcleo en una superficie, es mucho más común que la nucleación homogénea. La nucleación heterogénea suele ser mucho más rápida que la nucleación homogénea porque la barrera de nucleación es mucho más baja en una superficie. Esto se debe a que la barrera de nucleación proviene del término positivo de la energía libre , que es el término de superficie. Por tanto, en conclusión, la probabilidad de nucleación es mayor en una superficie que en el centro de un líquido.
La presión de Laplace es la diferencia de presión entre el interior y el exterior de una superficie curva entre una región gaseosa y una región líquida. La presión de Laplace se determina a partir de la ecuación de Young-Laplace dada como
.
donde y son los radios principales de curvatura y (también denotados como ) es la tensión superficial .
La tensión superficial se puede definir en términos de fuerza o energía. La tensión superficial de un líquido es la relación entre el cambio en la energía del líquido y el cambio en el área superficial del líquido (que condujo al cambio de energía). Se puede definir como . Este trabajo W se interpreta como energía potencial .
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