Gel instantané – Wikipedia | AirFreez Offre Exclusive -50%

En physique et chimie, congélation instantanée c'est un phénomène naturel couramment utilisé dans l'industrie alimentaire et par les météorologues à des fins de prévision.

Ce processus revêt également une grande importance dans la science de l’atmosphère, car son étude est nécessaire à un modèle climatique adéquat pour la formation de nuages ​​de glace dans la haute troposphère, qui dispersent efficacement le rayonnement solaire entrant et empêchent la Terre surchauffer du soleil.(1)

La congélation éclair est étroitement liée à la théorie classique de la nucléation, qui nous aide à comprendre de nombreux matériaux, phénomènes et théories dans des situations connexes.

introduction(changement)

Cristaux de neige

Gel instantané fait référence au processus par lequel les objets sont gelés en quelques heures(2) en les soumettant à des températures cryogéniques ou par contact direct avec de l'azote liquide à -196 ° C (-320,8 ° F).

Lorsque l'eau est refroidie à des températures inférieures à -48 ° C (-54 ° F), elle doit geler.(3)

La congélation de l'eau est une question centrale pour le climat, la géologie et la vie.(4) Sur terre, la glace et la neige couvrent 10% du territoire et jusqu'à 50% de l'hémisphère nord en hiver.(4) Les calottes glaciaires polaires reflètent jusqu'à 90% du rayonnement solaire entrant.(4) La science de la congélation de l’eau dépend de nombreux facteurs, notamment la congélation des gouttes d’eau, la quantité d’eau présente dans l’atmosphère, que l’eau soit à l’état liquide ou non. cristallin, à quelle température il gèle et s’il cristallise de l’intérieur ou de la surface.(3)(4)

La congélation des gouttes d’eau à l’échelle nanométrique ou en silicium commence à différentes distances du centre de la goutte, ce qui permet de mieux comprendre un différend de longue date dans le domaine de la physique et de la chimie des matériaux.(4)

Lorsque l'eau est dans un congélateur conventionnel, une transition de phase dynamique est activée.(5) La glace obtenue dépend de la vitesse à laquelle le système refroidit: si l'eau refroidit lentement en dessous de son point de congélation, un cristal de glace sera obtenu à la place du solide polycristallin produit par la congélation rapide.(5)

Applications et techniques(changement)

La congélation rapide est utilisée dans l'industrie alimentaire pour congeler rapidement les denrées périssables (voir Aliments surgelés). Dans ce cas, les produits alimentaires sont soumis à des températures bien inférieures au point de fusion / congélation de l'eau.(clarification nécessaire) Par conséquent, des cristaux de glace plus petits se forment, causant moins de dommages aux membranes cellulaires.(6)

Des techniques de congélation rapide sont utilisées pour congeler rapidement des échantillons biologiques de sorte que de gros cristaux de glace ne puissent pas se former et endommager l'échantillon.(7) Cette congélation rapide est réalisée en immergeant l'échantillon dans de l'azote liquide ou un mélange de neige carbonique et d'éthanol.(8)

L’inventeur américain Clarence Birdseye a mis au point le procédé de «conservation rapide» de la conservation des aliments au XXe siècle.(9) Ce procédé a été développé par l'inventeur américain Daniel Tippmann(10) produire un vide et aspirer de l'air froid à travers des aliments sur palette.

Les résultats ont des implications importantes dans la recherche sur le contrôle du climat. L’un des débats actuels est de savoir si la formation de glace se produit près de la surface ou dans des gouttelettes micrométriques suspendues dans les nuages. Si c’est la première, des approches techniques efficaces peuvent être adoptées pour réguler la tension superficielle de l’eau afin de pouvoir contrôler la vitesse de cristallisation de la glace.(1)

Comment congeler l'eau(changement)

Il existe des phénomènes tels que le super refroidissement, dans lequel l'eau est refroidie en dessous de son point de congélation, mais l'eau reste liquide s'il y a trop de défauts pour la cristallisation des graines. Un retard peut donc être observé jusqu'à ce que l'eau s'adapte à la nouvelle température en dessous de zéro.(5) L'eau liquide sur-refroidie doit devenir de la glace à moins 48 ° C, non seulement à cause du froid extrême, mais aussi parce que la structure moléculaire de l'eau se modifie physiquement pour former un tétraèdre, chaque molécule de eau librement liée à quatre autres.(3) Ceci suggère la transition structurelle du liquide vers la "glace intermédiaire".(3) La cristallisation de la glace à partir d’eau surrefroidie est généralement déclenchée par un processus appelé nucléation. En raison de la vitesse et de la taille de la nucléation, qui se produit en nanosecondes et en nanomètres.(1)

L'environnement de surface ne joue pas un rôle décisif dans la formation de glace et de neige.(11) Les fluctuations de densité à l'intérieur des gouttes déterminent que les régions de congélation possibles couvrent les régions centrales et superficielles.(4) La congélation de la surface ou de l'intérieur peut être aléatoire.(4) Cependant, dans le monde étrange de l'eau, il existe théoriquement encore de très petites quantités d'eau liquide, même si les températures descendent en dessous de moins 48 ° C et que presque toute l'eau est devenue solide, à la fois dans la glace cristalline et dans l'eau amorphe. Au-dessous de moins 48 ºC, la glace se cristallise trop rapidement pour permettre de mesurer les propriétés du liquide restant.(3) La vitesse de congélation affecte directement le processus de nucléation et la taille des cristaux de glace. Un liquide refroidi restera à l'état liquide en dessous du point de congélation normal lorsqu'il aura peu de chance de nucléation; c’est-à-dire s’il est suffisamment pur et que le contenant est assez lisse. Une fois secoué, il deviendra rapidement un solide.
Au cours de la dernière phase de congélation, une goutte de glace se forme en bout pointu, ce qui n’est pas observé pour la plupart des autres liquides, car elle se dilate pendant que l’eau gèle.(11) Une fois que le liquide est complètement gelé, la pointe de la goutte attire la vapeur d'eau dans l'air, tout comme un paratonnerre métallique pointu attire les charges électriques.(11) La vapeur d'eau s'accumule à son extrémité et un arbre de petits cristaux de glace commence à se développer.(11) Un effet opposé a été montré pour extraire de préférence les molécules d’eau du bord tranchant des quartiers de pomme de terre dans le four.(11)

Si une goutte d'eau microscopique est refroidie très rapidement, il se forme ce qu'on appelle un verre (glace amorphe à basse densité) dans lequel tous les tétraèdres des molécules d'eau ne sont pas alignés mais amorphes.(3) Le changement de la structure de l'eau détermine la vitesse à laquelle la glace se forme.(3) En fonction de sa température et de sa pression, la glace à l’eau présente 16 formes cristallines différentes dans lesquelles les molécules d’eau se collent les unes aux autres avec des liaisons hydrogène.(3) Lorsque l'eau est refroidie, sa structure se rapproche de la structure de la glace, raison pour laquelle la densité diminue, ce qui devrait se refléter sur un taux de cristallisation plus élevé qui met en évidence ces formes cristallines.(3)

Quantités connexes(changement)

Pour comprendre la congélation rapide, diverses quantités connexes pourraient être utiles.

La croissance ou la nucléation de cristaux est la formation d'une nouvelle phase thermodynamique ou d'une nouvelle structure par auto-assemblage. La nucléation se révèle souvent très sensible aux impuretés du système. Pour la nucléation d'une nouvelle phase thermodynamique, telle que la formation de glace dans de l'eau à une température inférieure à 0 ° C, si le système n'évolue pas avec le temps et si la nucléation a lieu en une phase, la probabilité que la nucléation ne se soit pas produite il devrait subir une décroissance exponentielle. Ceci peut également être observé dans la nucléation de la glace dans des gouttelettes d'eau super refroidies.(12) Le taux de décroissance exponentielle fournit le taux de nucléation et est donné par




R

=


N

S


Z
j
exp


(




Δ

sol

*





K

B


T



)



{style d'affichage R = N_ {S} Zj exp ({patte {- Delta G ^ {*}} {k_ {B} T}} à droite)}

Différence de barrières énergétiques

La théorie classique de la nucléation est une théorie approximative largement utilisée pour estimer ces taux et leur variation avec des variables telles que la température. Il prédit correctement que le temps nécessaire à la nucléation diminue très rapidement lorsqu'il est saturé.(13)(14)

La nucléation peut être divisée en une nucléation homogène et une nucléation hétérogène. Vient d’abord la nucléation homogène, car elle est beaucoup plus simple. La théorie classique de la nucléation présuppose que pour un noyau microscopique d'une nouvelle phase, l'énergie libre d'une goutte peut être écrite comme la somme d'un terme de masse proportionnel à un volume et à un terme de surface.






Δ
sol
=


4
3


π

r

3


Δ
g
+
4
π

r

2


σ




{displaystyle {displaystyle Delta G = {frac {4} {3}} plus r ^ {3} Delta g + 4 plus r ^ {2} sigma}}

Le premier terme est le terme du volume et, en supposant que le noyau soit sphérique, il s’agit du volume d’une sphère de rayon.






r




{displaystyle {displaystyle r}}

.






Δ
g




{displaystyle {displaystyle Delta g}}

c'est la différence d'énergie libre par unité de volume entre la phase de nucléation de la phase thermodynamique et la phase de nucléation.

rayon du noyau critique, à une valeur intermédiaire de






r




{displaystyle {displaystyle r}}

, l’énergie libre passe par un maximum et donc la probabilité de formation d’un noyau passe par un minimum. C est un noyau moins probable qui se produit, à savoir celui avec la plus grande valeur de






Δ
sol




{displaystyle {displaystyle Delta G}}










sol



r



=
0




{displaystyle {displaystyle {frac {dG} {dr}} = 0}}

Ceci est appelé le noyau critique et se produit dans un rayon du noyau critique







r

*


=




2
σ


Δ
g







{displaystyle {displaystyle r ^ {*} = – {frac {2 sigma} {Delta g}}}}

L'ajout de nouvelles molécules à des noyaux plus grands que ce rayon critique réduit l'énergie libre, ce qui les rend plus probables.

La nucléation hétérogène, la nucléation avec le noyau dans une surface, est beaucoup plus commune que la nucléation homogène. La nucléation hétérogène est généralement beaucoup plus rapide que la nucléation homogène en raison de la barrière de nucléation






Δ

sol

*






{displaystyle {displaystyle Delta G ^ {*}}}

c'est beaucoup plus bas sur une surface. En effet, la barrière de nucléation découle du terme positif dans l’énergie libre






Δ
sol




{displaystyle {displaystyle Delta G}}

, qui est le terme de surface. Par conséquent, en conclusion, la probabilité de nucléation est maximale sur une surface plutôt que sur le centre d'un liquide.

La pression de Laplace est la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur d'une surface courbe entre une région gazeuse et une région liquide. La pression de Laplace est déterminée par l’équation de Young-Laplace indiquée par




Δ
P


P

à l'intérieur




P

dehors


=
γ

(



1

R

1




+


1

R

2





)



{style d'affichage Delta P équivalent P _ {texte {intérieur}} – P _ {texte {extérieur}} = étendue gauche ({arrow {1} {R_ {1}}} + { {1} {R_ {2}}} à droite)}

.







R

1






{displaystyle {displaystyle R_ {1}}}

et







R

2






{displaystyle {displaystyle R_ {2}}}

sont le rayon de courbure principal e






γ




{displaystyle {displaystyle range}}

(également appelé






σ




{displaystyle {display style sigma}}

) est la tension superficielle.

La tension superficielle peut être définie en termes de force ou d'énergie. La tension superficielle d'un liquide est le rapport entre le changement d'énergie du liquide et le changement de la surface du liquide (ce qui a entraîné le changement d'énergie). Peut être défini comme




γ
=


W

Δ
A





{displaystyle range = {crack {W} {Delta A}}}

. Ce travail W est interprété comme une énergie potentielle.

références(changement)

  1. ^ a & # 39; B c "Meilleure compréhension du comportement de congélation de l'eau à l'échelle nanométrique". sciencedaily.com. extrait 17/01/2017.
  2. ^ http://www.wisegeek.org/what-is-flash-freezing.htm
  3. ^ a & # 39; B c et fa g h Je "Supercool: l'eau ne devrait pas geler jusqu'à -48 C (-55 F)". sciencedaily.com. extrait 17/01/2017.
  4. ^ a & # 39; B c et fa g "Comment les gouttelettes d'eau gèlent: la physique de la glace et de la neige". sciencedaily.com. extrait 17/01/2017.
  5. ^ a & # 39; B c "Matière super-rayonnante: un nouveau paradigme pour explorer les transitions de phase dynamiques". sciencedaily.com. extrait 17/01/2017.
  6. ^ Da-Wen Sun (2001), Progrès en matière de réfrigération des aliments, Yen-Con Hung, Réfrigération cryogénique, p. 318, Édition de la Leatherhead Food Research Association, http://www.worldcat.org/title/advances-in-food réfrigération / OCLC / 48154735
  7. ^ "Tissu gelé". Biotech.ufl.edu. Classé par l'original le 11 janvier 2012. extrait 2009-07-03.
  8. ^ "Préparation d'E. Coli compétent avec des solutions RF1 / RF2". Personal.psu.edu. extrait 2009-07-03.
  9. ^ "Les aliments congelés exactement comme les aliments frais." Popular Science Monthly, Septembre 1930, p. 26-27.
  10. ^ http://www.google.com/patents/US20110107784
  11. ^ a & # 39; B c et "Les gouttelettes d’eau gelées forment de forts pics de glace". sciencedaily.com. extrait 17/01/2017.
  12. ^ Duft, D (2004). Tests de laboratoire pour la nucléation en volume dominée par la glace dans une microgouttelette d'eau super refroidie. Chimie et physique de l'atmosphère.
  13. ^ Pruppacher. Klett, H.R., J.D. (1997). Microphysique des nuages ​​et précipitations. Kluwer.
  14. ^ Sear, R.P. (2007). Nucléation: théorie et applications aux solutions de protéines et aux suspensions colloïdales. Phys. Cond. Opaque.


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