التجميد

التجمد هو تحول طوري يتحول فيه السائل إلى صلب عندما تنخفض درجة حرارته إلى ما دون نقطة تجمده . ^{[ 1 ] [ 2 ]}

بالنسبة لمعظم المواد، تتساوى درجتا الانصهار والتجمد؛ إلا أن بعض المواد تمتلك درجات حرارة انتقال مختلفة بين الحالة الصلبة والسائلة. فعلى سبيل المثال، يُظهر الأغار ظاهرة التخلف في درجة انصهاره وتجمده. إذ ينصهر عند 85 درجة مئوية (185 درجة فهرنهايت) ويتجمد بين 32 و40 درجة مئوية (90 و104 درجة فهرنهايت) . ^{[ 3 ]}    

تتجمد معظم السوائل عن طريق التبلور، أي تكوّن مادة صلبة بلورية من سائل متجانس. يُعدّ هذا تحولًا طوريًا من الدرجة الأولى في الديناميكا الحرارية ، ما يعني أنه طالما وُجدت المواد الصلبة والسائلة معًا، تبقى درجة حرارة النظام بأكمله قريبة جدًا من نقطة الانصهار نظرًا لبطء فقدان الحرارة عند ملامستها للهواء، وهو موصل رديء للحرارة. وبسبب الحرارة الكامنة للانصهار ، يتباطأ التجمد بشكل كبير، ولن تنخفض درجة الحرارة أكثر بعد بدء التجمد، لكنها ستستمر في الانخفاض بعد انتهائه.

تتألف عملية التبلور من حدثين رئيسيين: التكوين البلوري ونمو البلورات . التكوين البلوري هو المرحلة التي تبدأ فيها الجزيئات بالتجمع في عناقيد على مستوى النانومتر ، مرتبةً بطريقة محددة ودورية تُحدد بنية البلورة . أما نمو البلورات فهو النمو اللاحق للنوى التي تصل إلى الحجم الحرج للعنقود.

تبدأ عملية تبلور السوائل النقية عادةً عند درجة حرارة أقل من درجة الانصهار ، وذلك بسبب ارتفاع طاقة التنشيط اللازمة للتنوي المتجانس . ويتطلب تكوين النواة تشكيل سطح فاصل عند حدود الطور الجديد. ويُستهلك جزء من الطاقة لتشكيل هذا السطح الفاصل، بناءً على طاقة سطح كل طور. إذا كانت النواة المفترضة صغيرة جدًا، فإن الطاقة التي ستنطلق عند تكوين حجمها لن تكون كافية لتكوين سطحها، وبالتالي لن تبدأ عملية التنوي. ولا يبدأ التجمد إلا عندما تنخفض درجة الحرارة إلى مستوى كافٍ لتوفير الطاقة اللازمة لتكوين نوى مستقرة. في حال وجود عيوب على سطح الوعاء الحاوي، أو شوائب صلبة أو غازية، أو بلورات صلبة مُشكّلة مسبقًا، أو عوامل تنوي أخرى، فقد يحدث التنوي غير المتجانس ، حيث ينطلق جزء من الطاقة نتيجة التدمير الجزئي للسطح الفاصل السابق، مما يرفع درجة التبريد الفائق لتصبح قريبة من درجة الانصهار أو مساوية لها. تبلغ درجة انصهار الماء عند ضغط جوي واحد حوالي 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت؛ 273 كلفن) ، وفي وجود مواد مُنَوِّية ، تكون درجة تجمد الماء قريبة من درجة انصهاره، ولكن في غياب هذه المواد، يمكن أن يبرد الماء تبريدًا فائقًا إلى -40 درجة مئوية (-40 درجة فهرنهايت؛ 233 كلفن) قبل أن يتجمد. ^{[ 4 ] [ 5 ]} أما تحت ضغط عالٍ (2000 ضغط جوي )، فيمكن أن يبرد الماء تبريدًا فائقًا إلى درجة حرارة منخفضة تصل إلى -70 درجة مئوية (-94 درجة فهرنهايت؛ 203 كلفن) قبل أن يتجمد. ^{[ 6 ]}         

التجميد عملية طاردة للحرارة في أغلب الأحيان ، أي أنه عند تحول السائل إلى صلب، ينطلق الحرارة والضغط. قد يبدو هذا غير بديهي، إذ لا ترتفع درجة حرارة المادة أثناء التجميد، إلا إذا كان السائل فائق التبريد . لكن يمكن فهم ذلك، إذ يجب إزالة الحرارة باستمرار من السائل المتجمد وإلا ستتوقف عملية التجميد. الطاقة المنطلقة عند التجميد هي حرارة كامنة ، وتُعرف باسم حرارة الانصهار ، وهي نفسها الطاقة اللازمة لصهر الكمية نفسها من المادة الصلبة.

يُعدّ الهيليوم ذو درجة الحرارة المنخفضة الاستثناء الوحيد المعروف للقاعدة العامة. ^{[ 7 ]} يتميز الهيليوم-3 بمحتوى حراري سالب للانصهار عند درجات حرارة أقل من 0.3 كلفن. كما يتميز الهيليوم-4 بمحتوى حراري سالب طفيف جدًا للانصهار عند درجات حرارة أقل من 0.8 كلفن. وهذا يعني أنه عند ضغوط ثابتة مناسبة، يجب إضافة حرارة إلى هذه المواد لتجميدها. ^{[ 8 ]}

قد تتصلب بعض المواد، كالزجاج والجلسرين ، دون أن تتبلور؛ وتُسمى هذه المواد بالمواد الصلبة غير المتبلورة . لا تمتلك المواد غير المتبلورة، وكذلك بعض البوليمرات، نقطة تجمد، إذ لا يحدث تغير مفاجئ في الطور عند درجة حرارة محددة. بدلاً من ذلك، يحدث تغير تدريجي في خصائصها المرنة اللزجة على مدى نطاق من درجات الحرارة. تتميز هذه المواد بانتقال زجاجي يحدث عند درجة حرارة الانتقال الزجاجي ، والتي يمكن تعريفها تقريبًا بأنها نقطة "الركبة" في منحنى كثافة المادة مقابل درجة الحرارة. ولأن التزجيج عملية غير متوازنة، فإنه لا يُعد تجميدًا، إذ يتطلب التجميد توازنًا بين الحالة البلورية والسائلة.

تستطيع العديد من الكائنات الحية تحمل فترات طويلة من درجات حرارة أقل من درجة تجمد الماء. وتُراكم معظم الكائنات الحية مواد واقية من التجمد، مثل البروتينات المضادة للتنوي ، والبوليولات، والجلوكوز، لحماية نفسها من أضرار الصقيع الناتجة عن بلورات الجليد الحادة. وتستطيع معظم النباتات، على وجه الخصوص، تحمل درجات حرارة تتراوح بين -4 و -12 درجة مئوية بأمان . وتُنتج بعض أنواع البكتيريا ، ولا سيما بكتيريا الزائفة السيرينجية ، بروتينات متخصصة تعمل كمُنَوِّيات جليدية فعّالة، تستخدمها لحثّ تكوّن الجليد على سطح العديد من الفواكه والنباتات عند حوالي -2 درجة مئوية . ^{[ 9 ]} ويُسبب التجمد أضرارًا في الأنسجة الطلائية، مما يجعل العناصر الغذائية الموجودة في أنسجة النبات الداخلية متاحة للبكتيريا. ^{[ 10 ]}   

يُعدّ التجميد طريقة شائعة لحفظ الطعام ، إذ يُبطئ من فساده ونمو الكائنات الدقيقة . فإلى جانب تأثير انخفاض درجات الحرارة على سرعة التفاعلات ، يُقلّل التجميد من كمية الماء المتاحة لنمو البكتيريا . ^{[ 11 ]} ويُعتبر التجميد طريقة شائعة الاستخدام لحفظ الطعام، حيث يحافظ عمومًا على النكهات والروائح والقيمة الغذائية.

• الوسائط المتعلقة بموضوع التجميد على ويكيميديا ​​كومنز
• "التجميد" . قاموس Merriam-Webster.com . Merriam-Webster. OCLC 1032680871 . 
• تمت أرشفة هذا المحتوى بتاريخ 10 ديسمبر 2015 على موقع Wayback Machine ، حيث تم استخدام مركب نيكل متصلب/متجمد.