La congelación es una transición de fase en la que un líquido se convierte en un sólido cuando su temperatura desciende por debajo de su punto de congelación . [1] [2]
Para la mayoría de las sustancias, los puntos de fusión y congelación son los mismos; sin embargo, ciertas sustancias poseen diferentes temperaturas de transición sólido-líquido. Por ejemplo, el agar muestra una histéresis en su punto de fusión y de congelación. Se funde a 85 °C (185 °F) y se solidifica entre 32 y 40 °C (90 y 104 °F). [3]
La mayoría de los líquidos se congelan por cristalización, es decir, por la formación de un sólido cristalino a partir del líquido uniforme. Se trata de una transición de fase termodinámica de primer orden , lo que significa que mientras coexistan el sólido y el líquido, la temperatura de todo el sistema permanece casi igual al punto de fusión debido a la lenta eliminación del calor cuando está en contacto con el aire, que es un mal conductor del calor. [ cita requerida ] Debido al calor latente de fusión , la congelación se ralentiza mucho y la temperatura ya no bajará una vez que comience la congelación, sino que seguirá bajando una vez que termine. [ cita requerida ]
La cristalización consta de dos eventos principales: la nucleación y el crecimiento del cristal . La " nucleación " es el paso en el que las moléculas comienzan a agruparse en grupos, a escala nanométrica , ordenándose de una manera definida y periódica que define la estructura del cristal . El " crecimiento del cristal " es el crecimiento posterior de los núcleos que logran alcanzar el tamaño crítico del grupo.
A pesar de la segunda ley de la termodinámica , la cristalización de líquidos puros suele comenzar a una temperatura inferior a la del punto de fusión , debido a la alta energía de activación de la nucleación homogénea . La creación de un núcleo implica la formación de una interfaz en los límites de la nueva fase. Se gasta algo de energía para formar esta interfaz, en función de la energía superficial de cada fase. Si un núcleo hipotético es demasiado pequeño, la energía que se liberaría al formar su volumen no es suficiente para crear su superficie, y la nucleación no procede. La congelación no comienza hasta que la temperatura es lo suficientemente baja como para proporcionar suficiente energía para formar núcleos estables. En presencia de irregularidades en la superficie del recipiente que lo contiene, impurezas sólidas o gaseosas, cristales sólidos preformados u otros nucleadores, puede ocurrir una nucleación heterogénea , donde se libera algo de energía por la destrucción parcial de la interfaz anterior, elevando el punto de sobreenfriamiento para que esté cerca o sea igual al punto de fusión. El punto de fusión del agua a 1 atmósfera de presión es muy cercano a 0 °C (32 °F; 273 K), y en presencia de sustancias nucleantes el punto de congelación del agua es cercano al punto de fusión, pero en ausencia de nucleadores el agua puede sobreenfriarse a -40 °C (-40 °F; 233 K) antes de congelarse. [4] [5] Bajo alta presión (2000 atmósferas ) el agua se sobreenfriará hasta -70 °C (-94 °F; 203 K) antes de congelarse. [6]
La congelación es casi siempre un proceso exotérmico , lo que significa que cuando el líquido se transforma en sólido, se libera calor y presión. Esto suele considerarse contraintuitivo, ya que la temperatura del material no aumenta durante la congelación, excepto si el líquido se sobreenfría . Pero esto se puede entender, ya que se debe eliminar continuamente el calor del líquido que se congela o el proceso de congelación se detendrá. La energía liberada durante la congelación es un calor latente , y se conoce como entalpía de fusión y es exactamente la misma que la energía necesaria para fundir la misma cantidad de sólido.
El helio de baja temperatura es la única excepción conocida a la regla general. [7] El helio-3 tiene una entalpía de fusión negativa a temperaturas inferiores a 0,3 K. El helio-4 también tiene una entalpía de fusión muy ligeramente negativa por debajo de 0,8 K. Esto significa que, a presiones constantes apropiadas, se debe agregar calor a estas sustancias para congelarlas. [8]
Ciertos materiales, como el vidrio y el glicerol , pueden endurecerse sin cristalizar; estos se denominan sólidos amorfos . Los materiales amorfos, así como algunos polímeros, no tienen un punto de congelación, ya que no hay un cambio de fase abrupto a ninguna temperatura específica. En cambio, hay un cambio gradual en sus propiedades viscoelásticas en un rango de temperaturas. Dichos materiales se caracterizan por una transición vítrea que ocurre a una temperatura de transición vítrea , que puede definirse aproximadamente como el punto de "inflexión" del gráfico de densidad vs. temperatura del material. Debido a que la vitrificación es un proceso de no equilibrio, no califica como congelación, que requiere un equilibrio entre el estado cristalino y líquido.
El tamaño de las sustancias aumenta o se expande al calentarse. Este aumento del tamaño de un cuerpo debido al calentamiento se denomina expansión térmica. La expansión térmica se produce en todos los objetos y en todos los estados de la materia. Sin embargo, diferentes sustancias tienen diferentes velocidades de expansión para el mismo aumento de temperatura.
Muchos organismos vivos son capaces de tolerar periodos prolongados de tiempo a temperaturas inferiores al punto de congelación del agua. La mayoría de los organismos vivos acumulan crioprotectores como proteínas antinucleantes , polioles y glucosa para protegerse contra el daño por heladas causado por cristales de hielo afilados. La mayoría de las plantas, en particular, pueden alcanzar de forma segura temperaturas de -4 °C a -12 °C. Ciertas bacterias , en particular Pseudomonas syringae , producen proteínas especializadas que sirven como potentes nucleadores de hielo, que utilizan para forzar la formación de hielo en la superficie de varias frutas y plantas a aproximadamente -2 °C. [9] La congelación provoca lesiones en los epitelios y hace que los nutrientes de los tejidos vegetales subyacentes estén disponibles para las bacterias. [10]
Se dice que tres especies de bacterias, Carnobacterium pleistocenium , así como Chryseobacterium greenlandensis y Herminiimonas glaciei , han revivido después de sobrevivir durante miles de años congeladas en el hielo. [ cita requerida ]
Muchas plantas experimentan un proceso llamado endurecimiento , que les permite sobrevivir a temperaturas inferiores a 0 °C durante semanas o meses.
El nematodo Haemonchus contortus puede sobrevivir 44 semanas congelado a temperaturas de nitrógeno líquido . Otros nematodos que sobreviven a temperaturas inferiores a 0 °C son Trichostrongylus colubriformis y Panagrolaimus davidi . Muchas especies de reptiles y anfibios sobreviven a la congelación.
Los gametos humanos y los embriones de 2, 4 y 8 células pueden sobrevivir a la congelación y son viables hasta 10 años, un proceso conocido como criopreservación .
Los intentos experimentales de congelar seres humanos para revivirlos más tarde se conocen como criónica .
La congelación es un método común de conservación de alimentos que retarda tanto la descomposición de los alimentos como el crecimiento de microorganismos . Además del efecto de las temperaturas más bajas en las velocidades de reacción , la congelación hace que el agua esté menos disponible para el crecimiento de bacterias . La congelación es un método de conservación de alimentos ampliamente utilizado. La congelación generalmente conserva los sabores, el olor y el contenido nutricional. La congelación se volvió comercialmente viable
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