En física y química , la congelación instantánea es el proceso mediante el cual los objetos se congelan rápidamente. [1] Esto se hace sometiéndolos a temperaturas criogénicas , o puede hacerse a través del 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 eficazmente 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 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 a partir de menos sitios de nucleación, lo que da como resultado menos cristales y más grandes. Esto daña las paredes celulares y causa deshidratación celular . Cuando el agua se congela rápidamente, como en la congelación rápida, hay más sitios de nucleación y más cristales más pequeños. Esto da como resultado mucho menos daño a las paredes celulares, proporcional a la velocidad de congelación. Es por eso que la congelación rápida es buena para la conservación de alimentos y tejidos . [3]
La congelación ultrarrápida se utiliza en la industria alimentaria para congelar rápidamente alimentos perecederos (véase alimentos congelados ). En este caso, los alimentos se someten a temperaturas muy inferiores [ aclaración necesaria ] al punto de congelación del agua . De este modo, se forman cristales de hielo más pequeños, lo que provoca menos daños a las membranas celulares . [4]
Las técnicas de congelación rápida se utilizan para congelar muestras biológicas rápidamente de modo que no se formen 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 "congelación rápida" para la conservación de alimentos en el siglo XX mediante un proceso criogénico. [7] En la práctica, se suele utilizar un proceso de congelación mecánica debido al coste. 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 para la investigación sobre el control del clima . Uno de los debates actuales es si la formación de hielo se produce cerca de la superficie o en el interior de las gotitas de tamaño micrométrico suspendidas en las nubes. Si es lo primero, se podrían adoptar métodos de ingeniería eficaces para ajustar la tensión superficial del agua de modo que se pueda controlar la velocidad de cristalización del hielo. [2]
Existen 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 iniciar la cristalización . Por lo tanto, se puede observar un retraso hasta que el agua se ajusta a la nueva temperatura por debajo del punto de congelación. [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 del agua sobreenfriada generalmente se inicia mediante un proceso llamado nucleación. La velocidad y el tamaño de la nucleación ocurren en nanosegundos y nanómetros . [2]
El entorno de la superficie no juega un papel decisivo en la formación de hielo y nieve . [10] Las fluctuaciones de densidad dentro de las gotas dan como resultado las 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, teóricamente 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 se cristaliza demasiado rápido para que se pueda medir cualquier propiedad del líquido restante. [9] La velocidad de congelación influye directamente en el proceso de nucleación y el tamaño de los cristales de hielo. Un líquido superenfriado 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, se convertirá rápidamente en 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 vapor de agua en el aire, de manera similar a como un pararrayos de metal afilado atrae cargas eléctricas . [10] El vapor de agua se acumula en la punta y comienza a crecer un árbol de pequeños cristales de hielo. [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 gota microscópica de agua se enfría muy rápido, forma lo que se llama un vidrio ( 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 con enlaces de hidrógeno . [9] Cuando el agua se enfría, su estructura se acerca más a la estructura del hielo, por lo que la densidad baja, y esto debería reflejarse en una mayor velocidad de cristalización que muestran estas formas cristalinas. [9]
Para comprender la congelación rápida, pueden resultar útiles varias magnitudes relacionadas.
El crecimiento o nucleación de cristales es la formación de una nueva fase termodinámica o una nueva estructura a través del autoensamblaje. A menudo se descubre que la nucleación es muy sensible a las impurezas en el 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 experimentar una desintegración exponencial . Esto también se puede observar en la nucleación de hielo en pequeñas gotas de agua superenfriadas. [12] La tasa de desintegración 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 rápido cuando hay sobresaturación. [13] [14]
La nucleación se puede dividir en nucleación homogénea y nucleación heterogénea. En primer lugar, está 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 puede escribirse como la suma de un término de volumen, proporcional a un término de superficie y de volumen.
El primer término es el término de volumen y, asumiendo que el núcleo es esférico, este es el volumen de una esfera de radio . es la diferencia en energía libre por unidad de volumen entre la fase termodinámica en la que ocurre la nucleación y la fase que está nucleándose.
radio crítico del núcleo, en algún valor intermedio de , la energía libre pasa por un máximo, y por lo tanto la probabilidad de formación de un núcleo pasa por un mínimo. Existe 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, es decir, 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 menor en una superficie. Esto se debe a que la barrera de nucleación proviene del término positivo en la energía libre , que es el término de superficie. Por lo tanto, en conclusión, la probabilidad de nucleación es más alta en una superficie en lugar de 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 de gas y una región de líquido. La presión de Laplace se determina a partir de la ecuación de Young-Laplace dada como
.
donde y son los radios de curvatura principales y (también denotado 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 provocó el cambio en la energía). Se puede definir como . Este trabajo W se interpreta como la energía potencial .
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