Congelación

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 . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Para la mayoría de las sustancias, los puntos de fusión y congelación coinciden; sin embargo, algunas sustancias presentan diferentes temperaturas de transición sólido-líquido. Por ejemplo, el agar muestra una histéresis entre su punto de fusión y su punto 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 de un 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 del sistema se mantiene prácticamente constante respecto al punto de fusión debido a la lenta disipación del calor al entrar en contacto con el aire, que es un mal conductor térmico. Debido al calor latente de fusión , la congelación se ralentiza considerablemente y la temperatura deja de descender una vez iniciada, pero continúa bajando al finalizar.

La cristalización consta de dos procesos principales: la nucleación y el crecimiento cristalino . La nucleación es la etapa en la que las moléculas comienzan a agruparse en cúmulos a escala nanométrica , organizándose de manera definida y periódica, lo que determina la estructura cristalina . El crecimiento cristalino es el crecimiento posterior de los núcleos que logran alcanzar el tamaño crítico del cúmulo.

La cristalización de líquidos puros generalmente comienza 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 consume cierta 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 se produce. La congelación no comienza hasta que la temperatura es lo suficientemente baja como para proporcionar la energía necesaria para formar núcleos estables. En presencia de irregularidades en la superficie del recipiente, impurezas sólidas o gaseosas, cristales sólidos preformados u otros nucleadores, puede producirse una nucleación heterogénea , donde se libera energía por la destrucción parcial de la interfaz anterior, elevando el punto de subenfriamiento hasta cerca o igualar el 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 nucleantes, el agua puede sobreenfriarse hasta −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, al transformarse un líquido en sólido, se libera calor y presión. Esto suele parecer contraintuitivo, ya que la temperatura del material no aumenta durante la congelación, salvo que el líquido esté superenfriado . Sin embargo, esto se explica porque es necesario extraer calor continuamente del líquido que se congela, de lo contrario, el proceso se detendrá. La energía liberada durante la congelación es un calor latente , conocido como entalpía de fusión , que es exactamente igual a la energía necesaria para fundir la misma cantidad de sólido.

El helio a 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 ligeramente negativa por debajo de 0,8 K. Esto significa que, a presiones constantes adecuadas, se debe añadir 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, al igual que algunos polímeros, no tienen un punto de congelación, ya que no se produce un cambio de fase abrupto a ninguna temperatura específica. En cambio, se observa un cambio gradual en sus propiedades viscoelásticas en un rango de temperaturas. Estos materiales se caracterizan por una transición vítrea que ocurre a una temperatura de transición vítrea , la cual puede definirse aproximadamente como el punto de inflexión en la gráfica de densidad frente a temperatura del material. Dado que la vitrificación es un proceso de no equilibrio, no se considera congelación, la cual requiere un equilibrio entre el estado cristalino y el líquido.

Muchos organismos vivos pueden tolerar periodos prolongados a temperaturas inferiores al punto de congelación del agua. La mayoría acumula crioprotectores, como proteínas antinucleantes , polioles y glucosa, para protegerse de los daños causados ​​por las heladas provocadas por los afilados cristales de hielo. La mayoría de las plantas, en particular, pueden soportar sin problemas temperaturas de entre -4 °  C y -12 °  C. Ciertas bacterias , especialmente Pseudomonas syringae , producen proteínas especializadas que actúan como potentes nucleadores de hielo, los cuales utilizan para forzar la formación de hielo en la superficie de diversas frutas y plantas a unos -2 °  C. ^{[ 9 ]} La congelación causa lesiones en los epitelios y hace que los nutrientes de los tejidos vegetales subyacentes estén disponibles para las bacterias. ^{[ 10 ]}

La congelación es un método común de conservación de alimentos que ralentiza tanto la descomposición de los alimentos como el crecimiento de microorganismos . Además del efecto de las bajas temperaturas en las velocidades de reacción , la congelación reduce la disponibilidad de agua para el crecimiento bacteriano . ^{[ 11 ]} La congelación es un método ampliamente utilizado de conservación de alimentos. Generalmente, la congelación conserva los sabores, el aroma y el contenido nutricional.

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• "Congelación" . Diccionario Merriam-Webster.com . Merriam-Webster. OCLC 1032680871 . 
• V Archivado el 10/12/2015 en Wayback Machine. Compuesto de nicotina usado solidificación/congelación. Archivado el 10/12/2015 en Wayback Machine.