La congelación es una transición de fase en la que un líquido se convierte en sólido cuando su temperatura desciende por debajo de su punto de congelación . De acuerdo con la definición establecida internacionalmente, se entiende por congelación el cambio de fase de solidificación de un líquido o del contenido líquido de una sustancia, normalmente debido al enfriamiento . [1] [2]
Para la mayoría de las sustancias, los puntos de fusión y congelación son la misma temperatura; sin embargo, determinadas sustancias poseen diferentes temperaturas de transición sólido-líquido. Por ejemplo, el agar muestra una histéresis en su punto de fusión y punto de congelación. Se funde a 85 °C (185 °F) y se solidifica de 32 °C a 40 °C (89,6 °F a 104 °F). [3]
La mayoría de los líquidos se congelan por cristalización, 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 sólido y líquido, la temperatura de todo el sistema permanece casi igual al punto de fusión debido a la lenta eliminación de calor cuando entra en contacto con el aire, que es un mal conductor de calor. [ cita necesaria ] Debido al calor latente de fusión , la congelación se ralentiza considerablemente y la temperatura ya no bajará una vez que comience la congelación, pero continuará bajando una vez que termine. [ cita necesaria ]
La cristalización consta de dos eventos principales, la nucleación y el crecimiento de cristales . La " nucleación " es el paso en el que las moléculas comienzan a agruparse en grupos, a escala nanométrica , disponiéndose de una manera definida y periódica que define la estructura cristalina . El " crecimiento cristalino " es el crecimiento posterior de los núcleos que logran alcanzar el tamaño crítico del cúmulo.
A pesar de la segunda ley de la termodinámica , la cristalización de líquidos puros suele comenzar a una temperatura inferior al 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, según 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 se produce. 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 contenedor, 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. estar cerca o igual al punto de fusión. El punto de fusión del agua a 1 atmósfera de presión está muy cerca de 0 °C (32 °F, 273,15 K), y en presencia de sustancias nucleantes el punto de congelación del agua está cerca del punto de fusión, pero en ausencia de El agua de los nucleadores 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 convierte en sólido, se libera calor y presión. Esto a menudo se considera contrario a la intuición, [7] ya que la temperatura del material no aumenta durante la congelación, excepto si el líquido estuviera sobreenfriado . Pero esto se puede entender porque se debe eliminar continuamente el calor del líquido congelado o el proceso de congelación se detendrá. La energía liberada al congelarse 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 del sólido.
El helio a baja temperatura es la única excepción conocida a la regla general. [8] 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 ligeramente negativa por debajo de 0,8 K. Esto significa que, a presiones constantes apropiadas, se debe agregar calor a estas sustancias. para congelarlos. [9]
Ciertos materiales, como el vidrio y el glicerol , pueden endurecerse sin cristalizar; estos se llaman sólidos amorfos . Los materiales amorfos, así como algunos polímeros, no tienen punto de congelación, ya que no hay un cambio brusco de fase 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 se produce a una temperatura de transición vítrea , que puede definirse aproximadamente como el punto de "inflexión" del gráfico de densidad versus temperatura del material. Debido a que la vitrificación es un proceso de desequilibrio, no se considera congelación, lo 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 llama expansión térmica. La expansión térmica tiene lugar 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 pueden tolerar períodos 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 los daños causados por los cristales de hielo afilados. La mayoría de las plantas, en particular, pueden alcanzar con seguridad 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 diversas frutas y plantas a aproximadamente -2 °C. [10] La congelación provoca lesiones en los epitelios y hace que los nutrientes de los tejidos vegetales subyacentes estén disponibles para las bacterias. [11]
Según los informes , tres especies de bacterias, Carnobacterium pleistocenium , así como Chryseobacterium greenlandensis y Herminiimonas glaciei , han resucitado después de sobrevivir durante miles de años congeladas en hielo.
Muchas plantas se someten a 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 incluyen Trichostrongylus colubriformis y Panagrolaimus davidi . Muchas especies de reptiles y anfibios sobreviven al congelamiento.
Los gametos humanos y los embriones de 2, 4 y 8 células pueden sobrevivir a la congelación y son viables hasta por 10 años, un proceso conocido como criopreservación .
Los intentos experimentales de congelar a seres humanos para su posterior resurrección 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 sobre las velocidades de reacción , la congelación hace que el agua esté menos disponible para el crecimiento de bacterias . La congelación es uno de los métodos de conservación de alimentos más antiguos y utilizados; Desde 1842 se utiliza la congelación en salmuera con hielo y sal. En la congelación, los sabores, el olor y el contenido nutricional generalmente permanecen sin cambios. La congelación se volvió aplicable comercialmente después de la llegada (introducción) de la refrigeración mecánica. La congelación se ha empleado con éxito para la conservación a largo plazo de muchos alimentos, proporcionando una vida útil significativamente mayor. La conservación por congelación generalmente se considera superior al enlatado y la deshidratación con respecto a la retención de atributos sensoriales y nutritivos.
Medios relacionados con la congelación en Wikimedia Commons