Das Unterkühlen, auch bekannt als undercooling, ist der Prozess, die Temperatur einer Flüssigkeit oder eines Benzins unter seinem Gefrierpunkt ohne es zu senken, ein Festkörper werdend.

Eine Flüssigkeit unter seinem Standardgefrierpunkt wird in Gegenwart von einem Impfkristall oder Kern kristallisieren, um den sich eine Kristallstruktur formen kann. Jedoch, an jedem solchem Kern Mangel habend, kann die flüssige Phase den ganzen Weg unten zur Temperatur aufrechterhalten werden, bei der kristallener homogener nucleation vorkommt. Homogener nucleation kann über der Glasübergangstemperatur vorkommen, aber wenn homogenous nucleation über dieser Temperatur nicht vorgekommen ist, wird sich ein amorpher (nichtkristallener) Festkörper formen.

Wasser friert normalerweise an 273.15 K (0 °C oder 32 °F), aber es kann auch am Standarddruck unten zu seinem kristallenen homogenen nucleation an fast 224.8 K (48.3 °C /  55 °F) "unterkühlt" werden. Wenn, jedoch, es an einer Rate auf der Ordnung von 10 K/s abgekühlt wird, kann der Kristall nucleation vermieden werden, und Wasser wird ein Glas. Seine Glasübergangstemperatur ist viel kälter und härter zu bestimmen, aber Studien schätzen es auf ungefähr 165 K (108 °C /  162.4 °F).

Glasiges Wasser kann bis zu etwa 150 K (123 °C /  189.4 °F) geheizt werden.

Im Rahmen Temperaturen zwischen 231 K (42 °C /  43.6 °F) und 150 K (123 °C /  189.4 °F) finden Experimente nur Kristalleis.

Tröpfchen von unterkühltem Wasser bestehen häufig in stratiform und Haufenwolke-Wolken. Flugzeuge, die durch diese Wolken fliegen, entsamen eine plötzliche Kristallisierung dieser Tröpfchen, die auf die Bildung des Eises auf den Flügeln des Flugzeuges oder Verstopfung seiner Instrumente und Untersuchungen hinauslaufen können, wenn die Flugzeuge mit einem passenden Enteisen-System nicht ausgestattet werden. Das Einfrieren des Regens wird auch durch unterkühlte Tröpfchen verursacht.

Der Prozess gegenüber dem Unterkühlen, dem Schmelzen eines Festkörpers über dem Gefrierpunkt, ist viel schwieriger, und ein Festkörper wird fast immer bei derselben Temperatur für einen gegebenen Druck schmelzen. Deshalb ist es der Schmelzpunkt, der gewöhnlich mit dem Schmelzpunkt-Apparat identifiziert wird; selbst wenn das Thema einer Zeitung "Gefrierpunkt-Entschluss" ist, ist die wirkliche Methodik "der Grundsatz, das Verschwinden aber nicht die Bildung des Eises zu beobachten". Es ist jedoch an einem gegebenen Druck, möglich, um eine Flüssigkeit über seinem Siedepunkt ohne es zu überhitzen, gasartig werdend.

Das Unterkühlen ist häufig mit Gefrierpunkt-Depression verwirrt. Das Unterkühlen ist das Abkühlen einer Flüssigkeit unter seinem Gefrierpunkt ohne es, fest werdend. Gefrierpunkt-Depression ist, wenn eine Lösung unter dem Gefrierpunkt der entsprechenden reinen Flüssigkeit wegen der Anwesenheit des solute abgekühlt werden kann; ein Beispiel davon ist die Gefrierpunkt-Depression, die vorkommt, wenn Natriumchlorid zu reinem Wasser hinzugefügt wird.

Das grundgesetzliche Unterkühlen

Das grundgesetzliche Unterkühlen kommt während des Festwerdens vor, ist wegen Compositional-Änderungen, und läuft auf das Abkühlen einer Flüssigkeit unter dem Gefrierpunkt vor der fest-flüssigen Schnittstelle hinaus. Wenn sie eine Flüssigkeit konsolidiert, ist die Schnittstelle häufig nicht stabil, und die Geschwindigkeit der fest-flüssigen Schnittstelle muss klein sein, um das grundgesetzliche Unterkühlen zu vermeiden.

Unterkühlte Zonen werden beobachtet, wenn der liquidus Temperaturanstieg an der Schnittstelle größer ist als der Temperaturanstieg.

oder

Der Hang der liquidus Phase-Grenze auf dem Phase-Diagramm ist

Der Konzentrationsanstieg ist mit Punkten, und auf dem Phase-Diagramm verbunden:

Weil, wie man annehmen kann, Steady-Statewachstum und die Teilungsfunktion unveränderlich sind. Deshalb wird der minimale Thermalanstieg, der notwendig ist, um eine stabile feste Vorderseite zu schaffen, als unten ausgedrückt.

Für mehr Information, sieh die Gleichung (3) von

In Werken

Einige Werke sind im Stande, die Flüssigkeit in ihren Zellen cytosol und vacuole zu unterkühlen und dadurch Temperaturen unten zu 40 °C zu überleben. Das wird durch die Synthese von Frostschutzmittel-Proteinen teilweise erreicht, die Eis nucleation verhindern.

Im Fisch

Die osmotische Konzentration der Körperflüssigkeiten des Fisches ist niedriger als die osmotische Konzentration von Seewasser. Deshalb kann der Gefrierpunkt des Fisches über der Temperatur von Seewasser sein. Der Gefrierpunkt kann von Frostschutzmittel-Agenten gesenkt werden, aber es gibt etwas Fisch (innerhalb des teleostei infraclass), wessen Gefrierpunkt höher ist als die Temperatur des Umgebungsseewassers, und deshalb die Körperflüssigkeiten dieser Fische unterkühlt werden. Diese Fische müssen ganz unter dem Wasserspiegel leben, weil sie in Kontakt mit Eiskernen nicht eintreten müssen (sonst, würden sie sofort frieren).

Anwendungen

Eine kommerzielle Anwendung des Unterkühlens ist in der Kühlung. Zum Beispiel gibt es Gefrierschränke, die Getränke zu einem unterkühlten Niveau so dass abkühlen, wenn es es Schneematsch geöffnet wird. Ein anderes Beispiel ist ein Produkt, das das Getränk in einem herkömmlichen Gefrierschrank unterkühlen kann. Coca-Cola Company hat auch kurz spezielle Automaten auf den Markt gebracht, die Elfe im Vereinigten Königreich und Cola in Singapur enthalten, das die Flaschen in einem unterkühlten Staat versorgt hat, so dass sich ihr Inhalt Schneematsch nach der Öffnung zuwenden würde.

Siehe auch

• Amorpher fester
• Pumpable kühlen Technologie mit Eis
• Das Subabkühlen
• Klebrige Flüssigkeit

Weiterführende Literatur

Links

• Videobeispiel
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• Unterkühlte Flüssigkeiten auf arxiv.org