Siêu lạnh (nhiệt động lực học)

Siêu lạnh (tiếng Anh: Supercooling hoặc Undercooling) là quá trình giảm nhiệt độ của một chất lỏng hoặc khí đến nhiệt độ dưới điểm đông đặc của nó mà không chuyển thành thể rắn.

Giải thích

Một chất lỏng khi đạt đến nhiệt độ đông đặc tiêu chuẩn của nó, thì sẽ kết tinh khi nó có chứa một tinh thể hoặc hạt nhân mầm, để có thể hình thành cấu trúc tinh thể xung quanh các mầm này và hóa rắn. Nếu thiếu mầm, pha lỏng có thể xuống đến nhiệt độ mà tại đó tất cả các tinh thể mầm đồng loạt xuất hiện. Mầm đồng loạt có thể xuất hiện ở nhiệt độ chuyển dịch lỏng-rắn, nhưng nếu đến nhiệt độ này mà các mầm không đồng loạt xuất hiện, thì sẽ thành chất rắn vô định hình.

Nước thường đóng băng ở 273.15 K (0 °C hay 32 °F), nhưng nó có thể được làm "siêu lạnh" ở áp suất tiêu chuẩn xuống đến nhiệt độ mà các tinh thể mầm đồng loạt xuất hiện ở khoảng 224.8 K (−48.3 °C/−55 °F).^[1][2] Quá trình làm siêu lạnh này chỉ yêu cầu nước phải tinh khiết và không chứa các hạt nhân mầm, mà có thể thu được nước này từ quá trình thẩm thấu ngược, còn bản thân quá trình làm lạnh không yêu cầu kỹ thuật gì đặc biệt. Nếu nước được làm lạnh với tốc độ 10⁶ K/s, có thể không làm xuất hiện các mầm tinh thể và nước sẽ trở thành băng trong suốt như thủy tinh (băng vô định hình; phi tinh thể). Nhiệt độ chuyển dịch lỏng-rắn này thấp hơn và khó xác định hơn, nhưng các nghiên cứu ước tính là vào khoảng 136 K (−137 °C/-215 °F).^[3] Nhiệt độ từ 231 K (−42 °C/−43.6 °F) đến 150 K (−123 °C/−189.4 °F) ở các thí nghiệm cho thấy chỉ có thể tạo thành băng dạng tinh thể.

Chú thích

1. Moore, Emily; Valeria Molinero (ngày 24 tháng 11 năm 2011). “structural transformation in supercooled water controls the crystallization rate of ice”. Nature. 479: 506–508. arXiv:1107.1622. Bibcode:2011Natur.479..506M. doi:10.1038/nature10586. Truy cập ngày 24 tháng 11 năm 2011.
2. Debenedetti & Stanley 2003, tr. 42
3. Insights into Phases of Liquid Water from Study of Its Unusual Glass-Forming Properties, C. Austen Angell, Science 319, 582 (2008);[1] [2].

Đọc thêm

• Debenedetti, P. G.; Stanley, H. E. (2003). “Supercooled and Glassy Water” (PDF). Physics Today. 56 (6): 40–46. Bibcode:2003PhT....56f..40D. doi:10.1063/1.1595053.
• Giovambattista, N.; Angell, C. A.; Sciortino, F.; Stanley, H. E. (tháng 7 năm 2004). “Glass-Transition Temperature of Water: A Simulation Study” (PDF). Physical Review Letters. 93 (4): 047801. arXiv:cond-mat/0403133. Bibcode:2004PhRvL..93d7801G. doi:10.1103/PhysRevLett.93.047801. PMID 15323794.
• Rogerson, M. A. (tháng 4 năm 2004). Cardoso, S. S. S. “Solidification in heat packs: III. Metallic trigger”. AIChE Journal. 49 (2): 522–529. doi:10.1002/aic.690490222. Bản gốc lưu trữ ngày 9 tháng 12 năm 2012. Truy cập ngày 12 tháng 3 năm 2015.

Liên kết ngoài

• Chất lỏng siêu lạnh trên trang arxiv.org
• Radiolab podcast on supercooling Lưu trữ 2015-03-17 tại Wayback Machine