التجميد هو انتقال طور يتحول فيه السائل إلى مادة صلبة عندما تنخفض درجة حرارته إلى أقل من نقطة التجمد، وعلى النقيض من ذلك ، فإن التصلب هو عملية مشابهة حيث يتحول السائل إلى مادة صلبة ، ليس عن طريق خفض درجة حرارته ، ولكن عن طريق زيادة الضغط تحته، وعلى الرغم من هذا التمييز التقني ، فإن العمليتين متشابهتان إلى حد كبير غالبا ما يتم استخدام المصطلحات بالتبادل، وبالنسبة لمعظم المواد ، تكون نقاط الذوبان والتجميد هي نفس درجة الحرارة ؛ ومع ذلك ، تمتلك بعض المواد درجات حرارة انتقال صلبة متغيرة، فعلى سبيل المثال ، يعرض آغار التباطؤ في نقطة الانصهار ونقطة التجمد، ويذوب عند 85 درجة مئوية، أي 185 درجة فهرنهايت، ويتصلب من 32 درجة مئوية إلى 40 درجة مئوية، أي 89.6 فهرنهايت إلى 104 درجة فهرنهايت .
ما هو التبلور
تجميد معظم السوائل عن طريق التبلور ، وتكوين مادة صلبة بلورية من السائل الموحد، هذا هو انتقال المرحلة الديناميكية الحرارية من الدرجة الأولى ، مما يعني أنه طالما تتعايش المادة الصلبة والسائلة ، تبقى درجة حرارة النظام بأكمله متساوية تمامًا مع نقطة الانصهار، بسبب إبطاء الحرارة عند التلامس مع الهواء ، وهو أن الموصل الحراري ضعيف، بسبب حرارة الانصهار الكامنة ، فإن التجمد يتباطأ بشكل كبير ولن تنخفض درجة الحرارة بعد أن يبدأ التجميد ولكن سيستمر في الانخفاض بمجرد أن ينتهي، ويتكون التبلور من حدثين رئيسيين ، التنوي ونمو البلورة، ويعتبر التنوي هو الخطوة التي تبدأ فيها الجزيئات بالتجمع في مجموعات ، على مقياس النانومتر ، وترتب بطريقة محددة ودورية تحدد البنية البلورية، ونمو البلورات هو النمو التالي للنواة التي تنجح في تحقيق حجم الكتلة الحرجة .
درجة التجمد
على الرغم من القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، فإن بلورة السوائل النقية عادة ما تبدأ عند درجة حرارة أقل من درجة الانصهار ، وذلك بسبب طاقة التنشيط العالية في التنوي المتجانس، ويشير إنشاء النواة إلى تكوين واجهة عند حدود المرحلة الجديدة، ويتم إنفاق بعض الطاقة لتشكيل هذه الواجهة ، استنادًا إلى الطاقة السطحية لكل مرحلة، وإذا كانت نواة افتراضية صغيرة جدا ، فإن الطاقة التي سيتم إطلاقها من خلال تشكيل حجمها لا تكفي لتكوين سطحها ، ولا يستمر التنوي، ولا يبدأ التجميد حتى تكون درجة الحرارة منخفضة بما فيه الكفاية لتوفير الطاقة الكافية لتشكيل نواة مستقرة، وفي وجود مخالفات على سطح الوعاء المحتوي على الشوائب ، أو شوائب صلبة أو غازية ، أو بلورات صلبة مسبقة التكوين ، أو غيرها من النويات ، قد يحدث التنوي غير المتجانس .
حيث يتم تحرير بعض الطاقة من خلال التدمير الجزئي للواجهة السابقة ، مما يرفع نقطة التبريد الفائق، ولتكون قريبة من نقطة الانصهار أو مساوية لها، ودرجة تجمد المياه في جو واحد من الضغط قريبة جداً من 0 درجة مئوية، أي 32 درجة فهرنهايت ، 273.15 كلفن، وفي وجود مواد نواة ، تكون نقطة تجمد الماء قريبة من نقطة الانصهار، وسوف ينخفض تجمد الماء إلى درجة حرارة منخفضة تصل إلى -70 درجة مئوية ، أي -94 درجة فهرنهايت ، 203 كلفن قبل التجميد .
ما هي عملية التجمد
تكون عملية التجميد في الغالب عملية طاردة للحرارة ، مما يعني أنه يتم إطلاق التغييرات السائلة إلى صلب والحرارة والضغط، وغالبا ما ينظر إلى هذا على أنه غير بديهي ، لأن درجة حرارة المادة لا ترتفع أثناء التجميد ، إلا إذا كان السائل فائضًا، ولكن يمكن فهم ذلك حيث يجب إزالة الحرارة باستمرار من السائل المتجمد أو ستتوقف عملية التجميد، وإن الطاقة المنطلقة عند التجميد هي حرارة كامنة ، وتعرف باسم المحتوى الحراري للاندماج وهي نفس الطاقة المطلوبة لإذابة نفس كمية المادة الصلبة، وعندها يحتوي الهليوم 3 على المحتوى الحراري السلبي للانصهار عند درجات حرارة أقل من 0.3 كلفن، وللهيليوم أيضًا انطباع سلبي قليل جدًا للانصهار أقل من 0.8 كلفن، وهذا يعني أنه ، عند ضغوط ثابتة مناسبة ، يجب إضافة الحرارة إلى هذه المواد من أجل تجميدهم .
ما هو التبلور
تجميد معظم السوائل عن طريق التبلور ، وتكوين مادة صلبة بلورية من السائل الموحد، هذا هو انتقال المرحلة الديناميكية الحرارية من الدرجة الأولى ، مما يعني أنه طالما تتعايش المادة الصلبة والسائلة ، تبقى درجة حرارة النظام بأكمله متساوية تمامًا مع نقطة الانصهار، بسبب إبطاء الحرارة عند التلامس مع الهواء ، وهو أن الموصل الحراري ضعيف، بسبب حرارة الانصهار الكامنة ، فإن التجمد يتباطأ بشكل كبير ولن تنخفض درجة الحرارة بعد أن يبدأ التجميد ولكن سيستمر في الانخفاض بمجرد أن ينتهي، ويتكون التبلور من حدثين رئيسيين ، التنوي ونمو البلورة، ويعتبر التنوي هو الخطوة التي تبدأ فيها الجزيئات بالتجمع في مجموعات ، على مقياس النانومتر ، وترتب بطريقة محددة ودورية تحدد البنية البلورية، ونمو البلورات هو النمو التالي للنواة التي تنجح في تحقيق حجم الكتلة الحرجة .
درجة التجمد
على الرغم من القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، فإن بلورة السوائل النقية عادة ما تبدأ عند درجة حرارة أقل من درجة الانصهار ، وذلك بسبب طاقة التنشيط العالية في التنوي المتجانس، ويشير إنشاء النواة إلى تكوين واجهة عند حدود المرحلة الجديدة، ويتم إنفاق بعض الطاقة لتشكيل هذه الواجهة ، استنادًا إلى الطاقة السطحية لكل مرحلة، وإذا كانت نواة افتراضية صغيرة جدا ، فإن الطاقة التي سيتم إطلاقها من خلال تشكيل حجمها لا تكفي لتكوين سطحها ، ولا يستمر التنوي، ولا يبدأ التجميد حتى تكون درجة الحرارة منخفضة بما فيه الكفاية لتوفير الطاقة الكافية لتشكيل نواة مستقرة، وفي وجود مخالفات على سطح الوعاء المحتوي على الشوائب ، أو شوائب صلبة أو غازية ، أو بلورات صلبة مسبقة التكوين ، أو غيرها من النويات ، قد يحدث التنوي غير المتجانس .
حيث يتم تحرير بعض الطاقة من خلال التدمير الجزئي للواجهة السابقة ، مما يرفع نقطة التبريد الفائق، ولتكون قريبة من نقطة الانصهار أو مساوية لها، ودرجة تجمد المياه في جو واحد من الضغط قريبة جداً من 0 درجة مئوية، أي 32 درجة فهرنهايت ، 273.15 كلفن، وفي وجود مواد نواة ، تكون نقطة تجمد الماء قريبة من نقطة الانصهار، وسوف ينخفض تجمد الماء إلى درجة حرارة منخفضة تصل إلى -70 درجة مئوية ، أي -94 درجة فهرنهايت ، 203 كلفن قبل التجميد .
ما هي عملية التجمد
تكون عملية التجميد في الغالب عملية طاردة للحرارة ، مما يعني أنه يتم إطلاق التغييرات السائلة إلى صلب والحرارة والضغط، وغالبا ما ينظر إلى هذا على أنه غير بديهي ، لأن درجة حرارة المادة لا ترتفع أثناء التجميد ، إلا إذا كان السائل فائضًا، ولكن يمكن فهم ذلك حيث يجب إزالة الحرارة باستمرار من السائل المتجمد أو ستتوقف عملية التجميد، وإن الطاقة المنطلقة عند التجميد هي حرارة كامنة ، وتعرف باسم المحتوى الحراري للاندماج وهي نفس الطاقة المطلوبة لإذابة نفس كمية المادة الصلبة، وعندها يحتوي الهليوم 3 على المحتوى الحراري السلبي للانصهار عند درجات حرارة أقل من 0.3 كلفن، وللهيليوم أيضًا انطباع سلبي قليل جدًا للانصهار أقل من 0.8 كلفن، وهذا يعني أنه ، عند ضغوط ثابتة مناسبة ، يجب إضافة الحرارة إلى هذه المواد من أجل تجميدهم .
