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Articulo de referencia

Congelación instantánea

Cristales de hielo en un estanque congelado. Cuando el agua se enfría lentamente, se forman cristales. La congelación rápida reduce la formación de cristales. En física y químic...

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Cristales de hielo en un estanque congelado. Cuando el agua se enfría lentamente, se forman cristales. La congelación rápida reduce la formación de cristales.

En física y química , la congelación instantánea es un proceso mediante el cual un objeto se congela rápidamente al someterlo a temperaturas criogénicas o mediante contacto directo con nitrógeno líquido a −196 °C (−320,8 °F) . [ 1 ]  

Este proceso está estrechamente relacionado con la teoría clásica de nucleación . Cuando el agua se congela lentamente, los cristales crecen a partir de menos puntos de nucleación, lo que da como resultado menos cristales de hielo, pero de mayor tamaño . Esto daña las paredes celulares y provoca la deshidratación celular . Cuando el agua se congela rápidamente, como en la congelación instantánea, hay más puntos de nucleación y, por lo tanto, más cristales, pero de menor tamaño. Esto produce mucho menos daño a las paredes celulares, proporcional a la velocidad de congelación. Por eso la congelación instantánea es beneficiosa para la conservación de alimentos y tejidos . [ 2 ]

La ultracongelación se aplica habitualmente en la industria alimentaria y se estudia en la ciencia atmosférica .

Impacto de la congelación

El entorno superficial no juega un papel decisivo en la formación de hielo y nieve . [ 3 ] Las fluctuaciones de densidad dentro de las gotas de agua dan como resultado posibles regiones de congelación que cubren tanto el interior como la superficie [ 4 ] —es decir, si la congelación desde la superficie o desde el interior puede ser aleatoria. [ 4 ]

Existen fenómenos como el superenfriamiento , en el que el agua se enfría por debajo de su punto de congelación , pero permanece líquida si hay muy pocos defectos para iniciar la cristalización . Por lo tanto, se puede observar un retraso hasta que el agua se ajuste a la nueva temperatura por debajo del punto de congelación. [ 5 ] El agua líquida superenfriada debe convertirse en hielo a −48 °C (−54 °F) , no solo debido al frío extremo, sino porque la estructura molecular del agua cambia físicamente para formar formas tetraédricas , con cada molécula de agua débilmente unida a otras cuatro. [ 6 ] Esto sugiere el cambio estructural de líquido a "hielo intermedio". [ 6 ] La cristalización del hielo a partir de agua superenfriada generalmente se inicia mediante un proceso llamado nucleación . La velocidad y el tamaño de la nucleación ocurren en nanosegundos y nanómetros . [ 7 ]  

Cuando el agua se congela, teóricamente aún quedan pequeñas cantidades de agua líquida, incluso cuando las temperaturas bajan de −48 °C (−54 °F) y casi toda el agua se ha solidificado, ya sea en hielo cristalino o agua amorfa. Sin embargo, esta agua líquida restante cristaliza demasiado rápido para que sus propiedades puedan detectarse o medirse. [ 6 ] La velocidad de congelación influye directamente en el proceso de nucleación y el tamaño de los cristales de hielo. Un líquido sobreenfriado permanecerá en estado líquido por debajo del punto de congelación normal cuando tenga poca oportunidad de nucleación, es decir, si es lo suficientemente puro y está en un recipiente lo suficientemente liso. Una vez agitado, se convertirá rápidamente en sólido.  

Durante la etapa final de la congelación, una gota de hielo desarrolla una punta afilada, lo cual no se observa en la mayoría de los demás líquidos, y se debe a que el agua se expande al congelarse. [ 3 ] Una vez que el líquido está completamente congelado, la punta afilada de la gota atrae el vapor de agua del aire, de forma similar a como un pararrayos metálico afilado atrae cargas eléctricas . [ 3 ] El vapor de agua se acumula en la punta y comienza a crecer un árbol de pequeños cristales de hielo. [ 3 ] Se ha demostrado que un efecto opuesto extrae preferentemente moléculas de agua del borde afilado de las patatas fritas en el horno. [ 3 ]

Si una gota microscópica de agua se enfría muy rápidamente, forma un vidrio —un hielo amorfo de baja densidad en el que todas las moléculas de agua tetraédricas no están alineadas, sino amorfas. [ 6 ] El cambio en la estructura del agua controla la velocidad a la que se forma el hielo. [ 6 ] 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 mediante enlaces de hidrógeno . [ 6 ]

Conceptos

Nucleación

El crecimiento o nucleación de cristales es la formación de una nueva fase termodinámica o una nueva estructura mediante autoensamblaje. A menudo se observa que la nucleación es muy sensible a las impurezas del 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 no haya ocurrido la nucleación debería experimentar una disminución exponencial . Esto también se puede observar en la nucleación de hielo en pequeñas gotas de agua subenfriada. [ 8 ] La tasa de disminución de la exponencial da la tasa de nucleación y viene dada por  

R = norteSZjexp⁡(−ΔGRAMO∗kBT){\displaystyle R\ =\ N_{S}Zj\exp \left({\frac {-\Delta G^{*}}{k_{B}T}}\right)}

dónde

  • norteS{\displaystyle N_{S}}es el número de sitios de nucleación;
  • Z{\displaystyle Z}es la probabilidad de que un núcleo en la parte superior de la barrera pase a formar la nueva fase, en lugar de disolverse (llamado factor de Zeldovich);
  • j{\displaystyle j}es la velocidad a la que las moléculas se adhieren al núcleo, provocando su crecimiento;
  • ΔGRAMO∗{\displaystyle \Delta G^{*}}es el costo de energía libre del núcleo en la cima de la barrera de nucleación;
  • kBT{\displaystyle k_{B}T}es la energía térmica , dondeT{\displaystyle T}es la temperatura absoluta ykB{\displaystyle k_{B}}es la constante de Boltzmann .
Diferencia en las barreras de energía. La nucleación homogénea (azul) tiene una barrera de nucleación más alta.ΔGRAMO∗{\displaystyle \Delta G^{*}}a r c que la nucleación heterogénea (rojo).

La teoría clásica de 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. [ 9 ] [ 10 ]

La nucleación se puede dividir en nucleación homogénea y nucleación heterogénea. La nucleación homogénea es el caso más raro, pero más simple. En la nucleación homogénea, la teoría clásica de la nucleación supone que para un núcleo esférico microscópico de una nueva fase, el cambio de energía libre de una gotaΔGRAMO(r){\displaystyle \Delta G(r)}es una función del tamaño del núcleo, y puede escribirse como la suma de términos proporcionales al volumen y al área superficial del núcleo:

ΔGRAMO=43πr3Δgramo+4πr2σ{\displaystyle \Delta G={\frac {4}{3}}\pi r^{3}\Delta g+4\pi r^{2}\sigma }

El primer término representa el volumen, y (suponiendo un núcleo esférico) este es el volumen de una esfera de radior{\displaystyle r}. Aquí,Δgramo{\displaystyle \Delta g}es la diferencia en energía libre por unidad de volumen entre la fase termodinámica en la que se produce la nucleación y la fase que se está nucleando. El segundo término representa el área de la superficie, asumiendo nuevamente una esfera, dondeσ{\displaystyle \sigma }es la tensión superficial .

En algún valor intermedio der{\displaystyle r}la energía libreΔGRAMO{\displaystyle \Delta G}pasa por un máximo, y por lo tanto la probabilidad de formación de un núcleo pasa por un mínimo. Esto ocurre cuandodGRAMOdr=0{\displaystyle {\frac {dG}{dr}}=0}. Este punto,ΔGRAMO∗{\displaystyle \Delta G^{*}}, se denomina núcleo crítico y representa la barrera de nucleación ; se produce en el radio crítico.

rdo=−2σΔgramo{\displaystyle r_{c}=-{\frac {2\sigma }{\Delta g}}}

La adición de nuevas moléculas a núcleos con un radio mayor que este radio crítico disminuye la energía libre, por lo que estos núcleos son más probables.

La nucleación heterogénea ocurre en una superficie o impureza. En este caso, parte del límite del núcleo es acomodado por la superficie o impureza sobre la cual se está nuclear. Esto reduce el término de área superficial enΔGRAMO{\displaystyle \Delta G}y, por lo tanto, reduce la barrera de nucleación.ΔGRAMO∗{\displaystyle \Delta G^{*}}Esta barrera reducida es lo que hace que la nucleación heterogénea sea mucho más común y rápida que la nucleación homogénea. [ 11 ]

presión de Laplace

La presión de Laplace es la diferencia de presión entre el interior y el exterior de una superficie curva entre una región gaseosa y una región líquida. La presión de Laplace se determina a partir de la ecuación de Young-Laplace dada por:

ΔPAG≡PAGadentro−PAGafuera=γ(1R1+1R2){\displaystyle \Delta P\equiv P_{\text{inside}}-P_{\text{outside}}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)}

dóndeR1{\displaystyle R_{1}}yR2{\displaystyle R_{2}}son los radios de curvatura principales yγ{\displaystyle \gamma }(también denotado comoσ{\displaystyle \sigma }) 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 produjo el cambio de energía). Se puede definir comoγ=WΔA{\displaystyle \gamma ={\frac {W}{\Delta A}}}Este trabajoW{\displaystyle W}se interpreta como la energía potencial .

Aplicaciones y técnicas

La congelación rápida se utiliza para la criopreservación.

La ultracongelación se utiliza en la industria alimentaria para congelar rápidamente alimentos perecederos (véase alimentos congelados ). En este caso, los alimentos se someten a temperaturas muy por debajo del punto de congelación del agua . De este modo, se forman cristales de hielo más pequeños, lo que causa menos daño a las membranas celulares . [ 12 ] El inventor estadounidense Clarence Birdseye desarrolló el proceso de "congelación rápida" para la conservación de alimentos en el siglo XX utilizando un proceso criogénico. [ 13 ] 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. [ 2 ]

Las técnicas de congelación rápida también se utilizan para congelar rápidamente muestras biológicas, de modo que no se formen grandes cristales de hielo que puedan dañar la muestra. [ 14 ] Esto se logra sumergiendo la muestra en nitrógeno líquido o en una mezcla de hielo seco y etanol . [ 15 ]

La congelación instantánea es de gran importancia en la ciencia atmosférica , ya que su estudio es necesario para un modelo climático adecuado de la formación de nubes de hielo en la troposfera superior , las cuales dispersan eficazmente la radiación solar incidente y evitan que la Tierra se sobrecaliente por el Sol. [ 7 ] Los resultados tienen importantes implicaciones en la investigación del control climático . Uno de los debates actuales es si la formación de hielo ocurre cerca de la superficie o dentro de las gotitas de tamaño micrométrico suspendidas en las nubes. Si es lo primero, podrían existir enfoques de ingeniería eficaces para ajustar la tensión superficial del agua y así controlar la tasa de cristalización del hielo. [ 7 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ "¿Qué es la congelación rápida? (con imágenes)" . 27 de febrero de 2024.
  2. 1 2 "Congelación de frutas y verduras" . www.fao.org . Consultado el 6 de abril de 2020 .
  3. 1 2 3 4 5 "Las gotas de agua congeladas forman picos de hielo afilados" . sciencedaily.com . Consultado el 17 de enero de 2017 .
  4. 1 2 "Cómo se congelan las gotas de agua: La física del hielo y la nieve" . sciencedaily.com . Consultado el 17 de enero de 2017 .
  5. ↑ "Materia superradiante: un nuevo paradigma para explorar las transiciones de fase dinámicas" . sciencedaily.com . Consultado el 17 de enero de 2017 .
  6. 1 2 3 4 5 6 "Supercool: El agua no tiene que congelarse hasta los -48 °C (-55 °F)" . sciencedaily.com . Consultado el 17 de enero de 2017 .
  7. 1 2 3 "Mejor comprensión del comportamiento de congelación del agua a nanoescala" . sciencedaily.com . Consultado el 17 de enero de 2017 .
  8. ↑ Duft, D (2004). Evidencia de laboratorio de nucleación de hielo dominada por el volumen en microgotas de agua subenfriada . Química y física atmosférica.
  9. ↑ Pruppacher. Klett, HR, JD (1997). Microfísica de las nubes y la precipitación . Kluwer.{{cite book}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  10. ↑ Sear, RP (2007). Nucleación: teoría y aplicaciones a soluciones de proteínas y suspensiones coloidales . Physics Cond. Matt.
  11. ↑ Liu, XY (31 de mayo de 2000). "¿Nucleación heterogénea o nucleación homogénea?". The Journal of Chemical Physics . 112 (22): 9949– 9955. Bibcode : 2000JChPh.112.9949L . doi : 10.1063/1.481644 . ISSN 0021-9606 . 
  12. ↑ Da-Wen Sun (2001), Avances en refrigeración de alimentos, Yen-Con Hung, Refrigeración criogénica, pág. 318, Leatherhead Food Research Association Publishing, http://www.worldcat.org/title/advances-in-food-refrigeration/oclc/48154735
  13. ↑ "Alimentos ultracongelados exactamente iguales a los frescos". Popular Science Monthly , septiembre de 1930, págs. 26-27.
  14. ↑ "Congelación de tejidos" . Biotech.ufl.edu. Archivado del original el 11 de enero de 2012. Consultado el 3 de julio de 2009 .
  15. ↑ "Preparación de E. coli competente con soluciones RF1/RF2" . Personal.psu.edu. Archivado del original el 23 de septiembre de 2021. Consultado el 3 de julio de 2009 .
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