تجميد سريع

الموسوعة الحرة
بلورات جليدية في بركة متجمدة. عندما يبرد الماء ببطء، تتشكل البلورات. أما التجميد السريع فيقلل من تكوينها.

في الفيزياء والكيمياء ، التجميد السريع هو عملية يتم من خلالها تجميد جسم ما بسرعة عن طريق تعريضه لدرجات حرارة منخفضة للغاية ، أو من خلال التلامس المباشر مع النيتروجين السائل عند درجة حرارة -196 درجة مئوية (-320.8 درجة فهرنهايت) . [ 1 ]  

ترتبط هذه العملية ارتباطًا وثيقًا بنظرية التكوين النووي الكلاسيكية . فعندما يتجمد الماء ببطء، تنمو البلورات من مواقع تكوين نووي أقل، مما ينتج عنه عدد أقل من بلورات الجليد ذات حجم أكبر . وهذا يُلحق الضرر بجدران الخلايا ويسبب جفافها . أما عندما يتجمد الماء بسرعة، كما في التجميد السريع، فتزداد مواقع التكوين النووي، وينتج عن ذلك عدد أكبر من البلورات ذات حجم أصغر. وهذا يؤدي إلى ضرر أقل بكثير لجدران الخلايا، يتناسب طرديًا مع سرعة التجميد. ولهذا السبب يُعد التجميد السريع مفيدًا لحفظ الأغذية والأنسجة . [ 2 ]

يُستخدم التجميد السريع بشكل شائع في صناعة الأغذية ويتم دراسته في علوم الغلاف الجوي .

تأثير التجميد

لا تلعب البيئة السطحية دورًا حاسمًا في تكوين الجليد والثلج . [ 3 ] تؤدي تقلبات الكثافة داخل قطرات الماء إلى مناطق تجمد محتملة تغطي كلًا من الداخل والسطح [ 4 ] - أي أن التجمد من السطح أو من الداخل قد يكون عشوائيًا. [ 4 ]

توجد ظواهر مثل التبريد الفائق ، حيث يبرد الماء إلى ما دون درجة تجمده ولكنه يبقى سائلاً إذا كانت العيوب قليلة جدًا بحيث لا تسمح بتكوّن البلورات . ولذلك، يمكن ملاحظة تأخير حتى يتكيف الماء مع درجة الحرارة الجديدة التي تقل عن درجة التجمد. [ 5 ] يجب أن يتحول الماء السائل فائق التبريد إلى جليد عند درجة حرارة -48 درجة مئوية (-54 درجة فهرنهايت) ، ليس فقط بسبب البرودة الشديدة، ولكن لأن التركيب الجزيئي للماء يتغير فيزيائيًا ليشكل أشكالًا رباعية الأوجه ، حيث يرتبط كل جزيء ماء بأربعة جزيئات أخرى بروابط ضعيفة. [ 6 ] يشير هذا إلى التغير البنيوي من الحالة السائلة إلى "جليد وسيط". [ 6 ] يبدأ تبلور الجليد من الماء فائق التبريد عمومًا بعملية تسمى التكوين النوي . وتحدث سرعة وحجم التكوين النوي في غضون نانوثانية ونانومترات . [ 7 ]  

عند تجمد الماء، تبقى كميات ضئيلة من الماء السائل نظريًا، حتى مع انخفاض درجات الحرارة إلى ما دون -48 درجة مئوية (-54 درجة فهرنهايت) وتحول معظم الماء إلى حالة صلبة، إما إلى جليد بلوري أو ماء غير متبلور. مع ذلك، يتبلور هذا الماء السائل المتبقي بسرعة كبيرة جدًا بحيث يتعذر رصد خصائصه أو قياسها. [ 6 ] تؤثر سرعة التجمد بشكل مباشر على عملية التبلور وحجم بلورات الجليد. يبقى السائل فائق التبريد في حالة سائلة تحت درجة التجمد العادية عندما تكون فرص التبلور ضئيلة - أي إذا كان نقيًا بدرجة كافية وفي وعاء أملس بما يكفي. بمجرد تحريكه، يتحول بسرعة إلى مادة صلبة.  

خلال المرحلة الأخيرة من التجميد، تتشكل على قطرة الجليد قمة مدببة، وهو ما لا يُلاحظ في معظم السوائل الأخرى، ويعود ذلك إلى تمدد الماء عند تجمده. [ 3 ] بمجرد أن يتجمد السائل تمامًا، تجذب القمة المدببة للقطرة بخار الماء في الهواء، تمامًا كما يجذب قضيب معدني حاد الشحنات الكهربائية . [ 3 ] يتجمع بخار الماء على القمة، وتبدأ بلورات جليدية صغيرة بالنمو. [ 3 ] وقد ثبت وجود تأثير معاكس، حيث يتم استخلاص جزيئات الماء بشكل تفضيلي من الحافة الحادة لشرائح البطاطس في الفرن. [ 3 ]

إذا تم تبريد قطرة ماء مجهرية بسرعة كبيرة، فإنها تُشكّل زجاجًا - وهو جليد غير متبلور منخفض الكثافة، حيث لا تتراصف جزيئات الماء رباعية الأوجه، بل تكون غير متبلورة. [ 6 ] ويتحكم التغير في بنية الماء في معدل تكوّن الجليد. [ 6 ] وبحسب درجة حرارته وضغطه، يتخذ جليد الماء 16 شكلًا بلوريًا مختلفًا ، تلتصق فيها جزيئات الماء ببعضها البعض بروابط هيدروجينية . [ 6 ]

المفاهيم

التنوي

يُعرف نمو البلورات أو التنوي بأنه تكوين طور ديناميكي حراري جديد أو بنية جديدة عبر التجميع الذاتي. غالبًا ما يكون التنوي شديد الحساسية للشوائب الموجودة في النظام. ففي حالة تنوي طور ديناميكي حراري جديد، مثل تكوّن الجليد في الماء عند درجة حرارة أقل من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت) ، إذا لم يكن النظام يتطور مع الزمن وحدث التنوي في خطوة واحدة، فإن احتمال عدم حدوث التنوي يتناقص أُسّيًا . ويمكن ملاحظة ذلك أيضًا في تنوي الجليد في قطرات الماء الصغيرة فائقة التبريد. [ 8 ] يُعطي معدل تناقص الدالة الأُسّية معدل التنوي، ويُعطى بالعلاقة التالية:  

R = شمالSZجخبرة⁡(-Δجي*كبتي){\displaystyle R\ =\ N_{S}Zj\exp \left({\frac {-\Delta G^{*}}{k_{B}T}}\right)}

أين

  • شمالS{\displaystyle N_{S}}يمثل عدد مواقع التكوين النووي؛
  • Z{\displaystyle Z}هو احتمال أن تقوم النواة الموجودة في أعلى الحاجز بتشكيل الطور الجديد، وليس أن تذوب (يسمى عامل زيلدوفيتش)؛
  • ج{\displaystyle j}هو المعدل الذي ترتبط به الجزيئات بالنواة، مما يؤدي إلى نموها؛
  • Δجي*{\displaystyle \Delta G^{*}}هي تكلفة الطاقة الحرة للنواة عند قمة حاجز التكوين النووي؛
  • كبتي{\displaystyle k_{B}T}الطاقة الحرارية ، حيثتي{\displaystyle T}هي درجة الحرارة المطلقة وكب{\displaystyle k_{B}}هو ثابت بولتزمان .
الفرق في حواجز الطاقة. يتميز التكوين المتجانس (باللون الأزرق) بحاجز طاقة أعلى.Δجي*{\displaystyle \Delta G^{*}}عند r c من التكوين النووي غير المتجانس (الأحمر).

تُعدّ نظرية التكوين النووي الكلاسيكية نظرية تقريبية شائعة الاستخدام لتقدير هذه المعدلات، وكيفية تغيرها بتغيرات مثل درجة الحرارة. وهي تتنبأ بدقة بأن الوقت اللازم للتكوين النووي يتناقص بسرعة فائقة عند التشبع الفائق. [ 9 ] [ 10 ]

يمكن تقسيم عملية التبلور إلى تبلور متجانس وتبلور غير متجانس. يُعد التبلور المتجانس الحالة الأقل شيوعًا، ولكنه أبسط. في التبلور المتجانس، تفترض نظرية التبلور الكلاسيكية أنه بالنسبة لنواة مجهرية كروية الشكل لطور جديد، فإن تغير الطاقة الحرة لقطرةΔجي(ر){\displaystyle \Delta G(r)}هي دالة لحجم النواة، ويمكن كتابتها كمجموع حدود تتناسب مع حجم النواة ومساحة سطحها:

Δجي=43πر3Δز+4πر2σ{\displaystyle \Delta G={\frac {4}{3}}\pi r^{3}\Delta g+4\pi r^{2}\sigma }

يمثل الحد الأول الحجم، وبافتراض نواة كروية، فإن هذا هو حجم كرة نصف قطرهار{\displaystyle r}. هنا،Δز{\displaystyle \Delta g}يمثل الفرق في الطاقة الحرة لكل وحدة حجم بين الطور الديناميكي الحراري الذي تحدث فيه عملية التنوي، والطور الذي يتم فيه التنوي. أما الحد الثاني فيمثل مساحة السطح، بافتراض شكل كروي، حيثσ{\displaystyle \sigma }هو التوتر السطحي .

عند قيمة متوسطة مار{\displaystyle r}الطاقة الحرةΔجي{\displaystyle \Delta G}تصل قيمة الاحتمالية إلى الحد الأقصى، وبالتالي تصل احتمالية تكوين النواة إلى الحد الأدنى. يحدث هذا عندمادجيدر=0{\displaystyle {\frac {dG}{dr}}=0}هذه النقطة،Δجي*{\displaystyle \Delta G^{*}}تُسمى النواة الحرجة ، وهي تمثل حاجز التكوين ؛ وتحدث عند نصف القطر الحرج.

رج=-2σΔز{\displaystyle r_{c}=-{\frac {2\sigma }{\Delta g}}}

إن إضافة جزيئات جديدة إلى النوى الأكبر من نصف القطر الحرج هذا يقلل من الطاقة الحرة، لذا فإن هذه النوى أكثر احتمالاً.

يحدث التكوين النووي غير المتجانس على سطح أو شوائب. في هذه الحالة، يستوعب السطح أو الشوائب التي تتكون عليها النواة جزءًا من حدودها. وهذا يقلل من مساحة السطح فيΔجي{\displaystyle \Delta G}وبالتالي يقلل من حاجز التكوين النوويΔجي*{\displaystyle \Delta G^{*}}إن انخفاض الحاجز هذا هو ما يجعل التكوين النووي غير المتجانس أكثر شيوعًا وأسرع من التكوين النووي المتجانس. [ 11 ]

ضغط لابلاس

ضغط لابلاس هو فرق الضغط بين داخل وخارج سطح منحني يفصل بين منطقة غازية ومنطقة سائلة. ويُحدد ضغط لابلاس من معادلة يونغ-لابلاس كما يلي:

ΔP≡Pداخل-Pالخارج=γ(1R1+1R2){\displaystyle \Delta P\equiv P_{\text{inside}}-P_{\text{outside}}=\gamma \left({\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}\right)}

أينR1{\displaystyle R_{1}}وR2{\displaystyle R_{2}}تمثل أنصاف أقطار الانحناء الرئيسية وγ{\displaystyle \gamma }(يشار إليه أيضًا باسمσ{\displaystyle \sigma }) هو التوتر السطحي.

يمكن تعريف التوتر السطحي بدلالة القوة أو الطاقة. التوتر السطحي للسائل هو نسبة التغير في طاقة السائل إلى التغير في مساحة سطحه (الذي أدى إلى التغير في الطاقة). ويمكن تعريفه على النحو التالي:γ=دبليوΔأ{\displaystyle \gamma ={\frac {W}{\Delta A}}}هذا العملدبليو{\displaystyle W}يتم تفسيرها على أنها طاقة كامنة .

التطبيقات والتقنيات

التجميد السريع يُستخدم في الحفظ بالتبريد

يُستخدم التجميد السريع في صناعة الأغذية لتجميد المواد الغذائية سريعة التلف (انظر: الأطعمة المجمدة ). في هذه الحالة، تُعرَّض المواد الغذائية لدرجات حرارة أقل بكثير من درجة تجمد الماء . وبالتالي، تتشكل بلورات ثلجية أصغر حجمًا، مما يُقلل من الضرر الذي يلحق بأغشية الخلايا . [ 12 ] طوّر المخترع الأمريكي كلارنس بيردساي عملية "التجميد السريع" لحفظ الأغذية في القرن العشرين باستخدام عملية تبريد عميق. [ 13 ] عمليًا، تُستخدم عملية التجميد الميكانيكي عادةً بدلًا من التجميد السريع نظرًا لتكلفتها المنخفضة. وقد جرى تحسين معدل التجميد في التجميد الميكانيكي باستمرار لتقليل حجم بلورات الثلج. [ 2 ]

تُستخدم تقنيات التجميد السريع أيضًا لتجميد العينات البيولوجية بسرعة ، مما يمنع تكوّن بلورات جليدية كبيرة قد تُلحق الضرر بالعينة. [ 14 ] ويتم ذلك عن طريق غمر العينة في النيتروجين السائل أو خليط من الثلج الجاف والإيثانول . [ 15 ]

يُعدّ التجمّد السريع ذا أهمية بالغة في علوم الغلاف الجوي ، إذ تُعدّ دراسته ضرورية لوضع نموذج مناخي دقيق لتكوّن السحب الجليدية في طبقة التروبوسفير العليا، والتي تعمل على تشتيت الإشعاع الشمسي الوارد بفعالية ، وتمنع ارتفاع درجة حرارة الأرض بفعل الشمس. [ 7 ] ولنتائج هذه الدراسة آثارٌ بالغة الأهمية في أبحاث التحكم بالمناخ . ومن بين النقاشات الدائرة حاليًا، ما إذا كان تكوّن الجليد يحدث بالقرب من سطح الأرض أم داخل قطرات الماء المتناهية الصغر العالقة في السحب. فإذا كان الاحتمال الأول هو الصحيح، فقد توجد طرق هندسية فعّالة لضبط التوتر السطحي للماء، وبالتالي التحكم في معدل تبلور الجليد. [ 7 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "ما هو التجميد الوميضي؟ (مع الصور)" . 27 فبراير 2024.
  2. 1 2 "تجميد الفواكه والخضراوات" . www.fao.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2020-04-06 .
  3. 1 2 3 4 5 "تشكّل قطرات الماء المتجمدة قممًا جليدية حادة" . sciencedaily.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 يناير 2017 .
  4. 1 2 "كيف تتجمد قطرات الماء: فيزياء الجليد والثلج" . sciencedaily.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 يناير 2017 .
  5. ↑ "المادة فائقة الإشعاع: نموذج جديد لاستكشاف التحولات الطورية الديناميكية" . sciencedaily.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 يناير 2017 .
  6. 1 2 3 4 5 6 "مذهل: لا يتجمد الماء إلا عند درجة حرارة -48 درجة مئوية (-55 درجة فهرنهايت)" . sciencedaily.com . تاريخ الاطلاع: 17 يناير 2017 .
  7. 1 2 3 "فهم أفضل لسلوك تجمد الماء على المستوى النانوي" . sciencedaily.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 17 يناير 2017 .
  8. ↑ دوفت، د (2004). دليل مختبري على التكوين النووي للجليد الذي يهيمن عليه الحجم في قطرات الماء فائقة التبريد . كيمياء وفيزياء الغلاف الجوي.
  9. ↑ بروباشر. كليت، إتش آر، جيه دي (1997). الفيزياء المجهرية للسحب والهطول . كلوير.{{cite book}}: صيانة CS1: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( رابط )
  10. ↑ سير، آر بي (2007). التكوين النووي: النظرية والتطبيقات على محاليل البروتين والمعلقات الغروية . فيزياء المادة المكثفة.
  11. ↑ ليو، إكس واي (31 مايو 2000). "التنوي غير المتجانس أم التنوي المتجانس؟". مجلة الفيزياء الكيميائية . 112 (22): 9949-9955 . رمز Bibcode : 2000JChPh.112.9949L . doi : 10.1063/1.481644 . ISSN 0021-9606 . 
  12. ↑ دا-وين صن (2001)، التطورات في تبريد الأغذية، ين-كون هونغ، التبريد المبرد، ص 318، منشورات جمعية أبحاث الأغذية في ليذرهيد، http://www.worldcat.org/title/advances-in-food-refrigeration/oclc/48154735
  13. ↑ "الطعام المجمد سريعًا يشبه الطعام الطازج تمامًا." مجلة العلوم الشعبية الشهرية ، سبتمبر 1930، ص 26-27.
  14. ↑ "تجميد الأنسجة" . Biotech.ufl.edu. مؤرشف من الأصل في 11 يناير 2012. تم الاطلاع عليه في 3 يوليو 2009 .
  15. ↑ "تحضير بكتيريا الإشريكية القولونية المؤهلة باستخدام محاليل RF1/RF2" . Personal.psu.edu. مؤرشف من الأصل بتاريخ 23-09-2021 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 03-07-2009 .