Sasalšana

Sasalšana ir fāžu pāreja, kad matērija maina savu agregātstāvokli no šķidras uz cietu, ja tās temperatūra pazeminās zem sasalšanas punkta. Savukārt, sacietēšana ir līdzīgs process, kurā šķidrums pārvēršas par cietu, nepazeminot temperatūru, bet palielinot to ietekmējošo spiedienu. Neskatoties uz tehnisko iedalījumu, šie divi procesi ir ļoti līdzīgi un abi termini bieži vien tiek lietoti kā sinonīmi.

Lielākajai daļai vielu kušanas punkts (kušanas temperatūra) un sasalšanas punkts (sasalšanas temperatūra) ir vienāds (viena un tā pati temperatūra), tomēr dažām vielām piemīt atšķirīga pārejas temperatūra no cietas uz šķidru vielu. Piemēram, agars parāda histerēzi tās kušanas un sasalšanas punktā. Tas kūst pie 85 °C un sacietē no 32 °C līdz 40 °C.

Kristalizācija 
Lielākā daļa šķidrumi sasalst kristalizācijas ceļā, veidojot kristālisku cietu vielu no viendabīga šķidruma. Kristalizācija ir pirmā veida termodinamiskā fāžu pāreja, respektīvi, kamēr cieta viela un šķidrums spēj pastāvēt vienlaicīgi, tikmēr temperatūra visā sistēmā ir ļoti līdzīga kušanas punkta temperatūrai, dēļ tā, ka gaisam piemīt zema siltuma atdeve (gaiss ir slikts siltuma vadītājs).

Pārdzesēšana 

Neskatoties uz otro termodinamikas likumu, tīru šķidrumu kristalizācija parasti sākas pie zemākas temperatūras nekā kušanas punkts, saistībā ar augstu viendabīgas nukleācijas aktivācijas enerģiju. Kodola rašanās ietver saskares veidošanos jaunās pārejas fāzes ietvaros. Lai izveidotu šo saskari, balstoties uz katras fāzes virsmas enerģiju, daļa enerģijas tiek patērēta. Ja hipotētiskais kodols ir pārāk mazs, tad enerģija, ko tas izdalītu nebūtu pietiekama, lai radītu tā virsmu, un nukleācijas process neturpinātos. Sasalšana nesākas, kamēr temperatūra nav pietiekami zema, lai nodrošinātu pietiekami daudz enerģijas, lai veidotu stabilu kodolu. Dēļ neregularitātēm (piemaisījumi, pirms tam izveidojušies cieti kristāli) uz virsmas, var rasties neviendabīga nukleācija, t.i. iepriekšējās saskarnes daļējas iznīcināšanas dēļ daļa enerģijas ir atbrīvota, paaugstinot pārdzesēšanas punktu, kas gandrīz vai vienāds ar kušanas temperatūru. Kušanas temperatūra ūdenim pie atmosfēras spiediena ir ļoti tuvu 0 °C (273.15 K), toties nukleācijas vielu mijiedarbībā, sasalšanas temperatūra ūdenim ir tuvu kušanas temperatūrai, bet, ja ūdens nav mijiedarbībā ar nukleācijas vielām, tas var atdzist līdz −40 °C (−40 °F, 233 K) pirms sasalšanas. Augsta spiediena ietekmē (2000 atmosfēras) ūdens pārdzesēsies līdz −70 °C (203 K) pirms sasalšanas.

Eksotermija 
Sasalšana gandrīz vienmēr ir eksotermisks process, tas nozīmē, ka, šķidrumam pārvēršoties par cietu vielu, izdalās siltums. Tā kā vielas temperatūra sasalšanas procesā nepieaug (izņemot gadījumu, kad viela ir bijusi pārdzesēta), šī parādība bieži vien tiek uztverta pretrunīgi. Tas skaidrojams tā, ka siltums tiek nepārtraukti atdots no sasalstošā šķidruma, citādi sasalšanas process apstāsies. Enerģija, kas izdalās pēc sasaldēšanas ir latentais siltums, šī parādība ir pazīstama kā saplūšanas entalpija. Šī enerģija ir vienāda ar enerģiju, kas nepieciešama, lai izkausētu tieši tādu pašu daudzumu cietas vielas.

Zemas temperatūras hēlijs ir vienīgais zināmais izņēmums vispārējām noteikumam. Hēlijam-3 piemīt negatīva saplūšanas entalpija temperatūrā zem -272,85 °C (0,3 K). Hēlijam-4 arī ir ļoti nedaudz negatīva saplūšanas entalpija zem -272,35 °C (0,8 K). Tas nozīmē, ka pie attiecīga, nemainīga spiediena, ir jāpievada siltums, lai sasaldētu šīs vielas.

Vitrifikācija 
Daži materiāli, piemēram, stikls un glicerīns, var sacietēt bez kristalizācijas; tos sauc par amorfajām cietvielām. Amorfiem materiāliem, kā arī dažiem polimēriem, nav sasalšanas punkta, jo tiem nav straujas fāžu pārejas jebkādā temperatūrā. Tā vietā, ir pakāpeniskas izmaiņas to viskoelastīgajās īpašībās konkrētu temperatūru diapazonā. Šādiem materiāliem ir raksturīga stikla-šķidruma pāreja, kas notiek stikla-šķidruma pārejas temperatūrā, kas var būt aptuveni definēta kā "ceļgala" punkts materiāla blīvuma pret temperatūru grafikā. Tā kā vitrifikācija ir nelīdzsvarots process, tas nav uzskatāms par sasalšanu, jo sasalšana pieprasa līdzsvaru starp kristālisku fāzi un šķidru fāzi.

Izplešanās 
Parasti sasalstot šķidru vielu tilpums samazinās. Tomēr ir dažas vielas, piemēram, ūdens un bismuts, kas sasalstot izplešas.

Dzīvu organismu sasalšana 
Daudzi dzīvie organismi spēj izturēt ilgstošu laiku zem ūdens sasalšanas temperatūras. Lielākā daļa dzīvo organismu uzkrāj vielas, kas nodrošina aukstumaizsardzību, piemēram, nesasalstošās olbaltumvielas, poliolus un glikozi, lai aizsargātu sevi pret sala bojājumiem, ko izraisa asi ledus kristāli. Sasalšana izraisa bojājumus epitēlijā un padara barības vielas augu apakšējos audu slāņos pieejamas baktērijām.

Baktērijas 
Trīs baktēriju sugas, Carnobacterium pleistocenium, Chryseobacterium greenlandensis un Herminiimonas glaciei, ir atdzīvinātas pēc tūkstošiem gadu ilgas iesalšanas ledū.

Augi 
Daudzi augi ir izturīgi pret aukstumu, tie spēj izdzīvot temperatūrā zem 0 °C nedēļām un mēnešiem.

Dzīvnieki 
Tārps Haemonchus contortus var izdzīvot 44 nedēļas iesaldēts šķidrā slāpekļa temperatūrā. Citi tārpi, kas spēj izdzīvot temperatūrā, kas zemāka par 0 °C, ir Trichostrongylus colubriformis un Panagrolaimus davidi. Daudzu sugu rāpuļi un abinieki pārdzīvo sasalšanu. Dzīvības izdzīvošanu aukstās temperatūrās pēta kriobioloģija.

Cilvēka dzimumšūnas un 2-, 4- un 8-šūnu embriji var pārdzīvot sasalšanu un ir dzīvotspējīgi līdz pat 10 gadiem. Dzimumšūnu uzglabāšanas process ir pazīstams kā aukstumuzglabāšana.

Eksperimentāli mēģinājumi iesaldēt cilvēku, lai vēlāk atdzīvinātu, ir zināmi kā krionika.

Pārtikas uzglabāšana 
Sasaldēšana ir plaši pielietota pārtikas uzglabāšanas metode, kas palēnina gan pārtikas sabojāšanos, gan mikroorganismu augšanu. Neskaitot zemo temperatūru ietekmi uz reakcijas ātrumu, saldēšana padara ūdeni mazāk pieejamu baktēriju augšanai.

Skatīt arī 
 Kušanas temperatūra
 Fāžu stāvokļa diagramma

Atsauces 

Siltumtehnika
Molekulārfizika
Fāžu pārejas