הקפאה

בפיזיקה, הקפאה או התמצקות היא תהליך שבו עובר חומר ממצב צבירה נוזל למצב צבירה מוצק. ההקפאה היא אחד מתהליכי שינוי מצבי הצבירה. הטמפרטורה בה נוזל הופך למוצק נקראת נקודת הקפאון. נקודה זו תלויה גם בלחץ שמופעל על הנוזל כך שבנוסף לקירור גם שינוי בלחץ יכול להקפיא נוזל.

מעבר פאזה

ערך מורחב – מעבר פאזה

מצב צבירה מוצק ומצב צבירה נוזל נבדלים זה מזה בצפיפות שלהם. כל מצב צבירה כזה מכונה פאזה כשהצפיפות היא פרמטר הסדר שמאפיין את הפאזה. המעבר בניהם במקרה של הקפאה הוא מעבר פאזה מסדר ראשון. מעבר פאזה כזה מאופיין באי־רציפות בפרמטר הסדר. הצפיפות של קרח ומים, לדוגמה משתנה בחדות. מעבר פאזה מסדר ראשון מאפשר דו־קיום בין שתי פאזות (כך מתקיימות קוביות קרח בכוס מים) .

כמו כן, מעבר פאזה מסדר ראשון כרוך בחום כמוס. ברגע שהנוזל מגיע לנקודת הקיפאון הטמפרטורה שלו תשאר יציבה עד שכלל הנוזל יתמצק. האנרגיה הנוספת הנדרשת למעבר הפאזה (מלבד האנרגיה הדרושה לקירור המערכת) היא החום הכמוס.

גרף מעברים בין מצבי צבירה

קריסטליזציה

ברוב החומרים המוצקים אפשר למצוא מבנים גבישיים. מקורם של מבנים אלה בגרעינים גבישיים בנוזל. אלה נוצרים ספונטנית בנוזל קר דיו סביב אתרי התגרענות, פגמים בנוזל או בכלי בו הוא מאוכסן. האנרגיה החופשית של גיבס של הגרעין תלויה בגודל הגרעין, באנרגיית מתח-הפנים בין הפאזה המוצקה לזו הנוזלית והפרש הפוטנציאל הכימי בין הפאזות. בהנחה שהגרעין כדורי בקירוב נקבל$$\Delta G={\frac {4}{3}}\pi R^{3}\rho _{s}\Delta \mu +4\pi R^{2}\gamma$$

כאשר $\gamma$ מתח הפנים של הגרעין, $\rho _{s}$ צפיפות הפאזה המוצקה, R רדיוס הגרעין ו-$\Delta \mu$ הפרש הפוטנציאל הכימי (שלילי מתחת לטמפרטורת הקיפאון).

כאשר הגרעין קטן האנרגיה שלו עולה ככל הרדיוס עולה ולכן הגרעין יצטמק. אך החל מגודל קריטי האנרגיה של הגביש קטנה ככל הגביש גדל כך שהגרעין יגדל עד שכל הנוזל יתגבש ויתמצק. $$R_{crit}={\frac {2\gamma }{\rho _{s}\left\vert \Delta \mu \right\vert }}$$במקום גודל קריטי ניתן לחשוב על אנרגיה קריטית הקובעת האם הגביש יתפשט או יצטמק. פגמים בנוזל או בכלי מורידים את מתח הפנים של הגרעין הגבישי וכך מורידים את האנרגיה הקריטית.

$$\Delta G_{crit}={\frac {16\pi }{3}}{\frac {\gamma ^{3}}{\left(\rho _{s}\left\vert \Delta \mu \right\vert \right)^{2}}}$$הסיכוי להיווצרות גרעין גבישי בעל אנרגיה מעל האנרגיה הקריטית תלוי בטמפרטורה

$$P_{crit}\propto \exp \left(-{\frac {\Delta G_{crit}}{k_{B}T}}\right)$$

כלומר, אחרי די זמן - גרעינים גבישיים מעל הגודל הקריטי יווצרו והנוזל יעבור פאזה.

קירור-על

ערך מורחב – קירור-על

בנוזלים טהורים המוחזקים בכלי ללא פגמים (לדוגמה מים מזוקקים בכלי פלסטיק חלק) אין אתרי התגרענות שמאפשרים יצירת גרעינים גבישיים בקלות. כלומר, גם בטמפרטורות נמוכות מטמפרטורת הקפאון הגרעינים הגבישיים שיווצרו יהיו מתחת לגודל הקריטי ולכן יצטמקו ולא יתרחבו. ללא מבנה גבישי ניתן לקרר את הנוזל לטמפרטורה נמוכה מטמפרטורת הקיפאון ולהשאירו בפאזה הנוזלית. נוזל בקירור על הוא דוגמה לחומר מטא-סטאבילי. הנוזל נמצא במינימום אנרגיה אך זהו מינימום מקומי וכל הפרעה קטנה למערכת יכולה להזיז אותה מהמינימום המקומי אל הגלובלי - קיפאון.

קירור זכוכית

גם במקרה של נוזל טהור התגבשות תתרחש, רק בטמפרטורה נמוכה מטמפרטורת הקיפאון. ככל שטמפרטורת הקיפאון קטנה יותר, כך הזמן שלוקח לגרעינים גבישיים קריטיים להיווצר גדל. כלומר - קירור מספיק מהיר יביא את המערכת לטמפרטורת הקיפאון ללא מבנה גבישי . בטמפרטורה נמוכה דיה לנוזל לא תהיה אנרגיה גבוהה מספיק לקיום פאזה נוזלית והנוזל יעבור לפאזה מחוץ לשיווי משקל - זכוכית. תכונות החומר תלויות בקצב הקירור.

ההבדל בין נוזל בקירור-על לבין זכוכית הוא שזכוכית נמצאת מחוץ לשיווי-משקל תרמודינמי בעוד שהנוזל בקירור-על שומר על פאזה נוזלית בשיווי משקל. כמו כן, זכוכית מציגה מאפיינים מוצקים אף-על-פי שהחומר ללא סדר ארוך טווח. זהו מוצק אמורפי.

בניגוד להקפאה רגילה, מעבר זכוכית הוא מעבר פאזה מסדר שני. אי-הרציפות במקרה הזה היא בנגזרת של קיבול החום ולא בקיבול החום ובהתאם - אין חום כמוס.

ראו גם

• קיפאון פנים
• הקפאת מזון

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא הקפאה בוויקישיתוף

בלדד השוחי, למה אסור להקפיא אוכל בפעם השנייה?, באתר ערוץ עשר