맨위로가기 타임라인 바로가기

결빙

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
타임라인 바로가기
목차

1. 개요

결빙은 액체가 고체로 변하는 현상을 의미하며, 결정화, 과냉각, 발열 반응, 유리화, 팽창, 생물체의 냉동, 식품 보존 등 다양한 측면에서 나타난다. 대부분의 액체는 결정화를 통해 고체로 변하며, 이는 상전이 과정으로 융해 잠열로 인해 결빙 속도가 느려진다. 과냉각은 액체가 녹는점 이하에서도 액체 상태를 유지하는 현상이며, 핵 생성의 활성화 에너지와 관련이 있다. 결빙은 일반적으로 발열 반응이며, 헬륨을 제외하고는 열을 방출한다. 특정 물질은 유리화를 통해 비정질 고체로 굳어지며, 얼음은 물이 얼 때 부피가 증가하는 예외적인 특성을 보인다. 생물체는 동결방지 물질을 통해 추위에 적응하며, 냉동 보존 기술을 통해 세포와 배아를 보존할 수 있다. 또한 결빙은 식품 보존의 중요한 방법으로, 미생물 번식을 억제하여 식품의 부패를 늦춘다.

더 읽어볼만한 페이지

  • 대기열역학 - 녹는점
    녹는점은 고체가 액체로 변하는 온도로, 물질의 순도 확인 및 소재 개발에 활용되며, 압력, 불순물, 결정 구조 등의 영향을 받는다.
  • 대기열역학 - 승화 (화학)
    승화는 고체가 액체 상태를 거치지 않고 기체로 직접 변하는 물리적 변화 과정으로, 드라이아이스나 요오드와 같은 물질에서 나타나며 동결건조, 지문 검출, 고순도 물질 정제 등에 활용된다.
결빙

2. 결정화

대부분의 액체는 결정화를 통해 결정성 고체로 변한다. 결정화는 핵 생성과 결정 성장이라는 두 가지 주요 과정으로 이루어진다. 핵 생성은 분자들이 나노미터 크기의 덩어리로 모여 결정 구조를 정의하는, 규칙적인 방식으로 배열되는 단계이다. 결정 성장은 임계 크기에 도달한 핵이 성장하는 과정이다.

결정화는 열역학 제1법칙의 상전이이며, 열전도율이 낮은 공기로 단열된 닫힌 계에서 고체와 액체가 공존하는 경우, 고체가 될 때 방출되는 응고열에 의해 응고점에서 온도가 일정하게 유지된다.[11] 완전히 고체 상태가 되면 다시 계의 온도는 낮아진다.[12]

2. 1. 균일 핵 생성

대부분의 액체는 결정화를 통해 고체로 변한다. 이는 1차 열역학적 상전이에 해당한다. 결정화는 핵 생성과 결정 성장이라는 두 가지 주요 과정으로 이루어진다. 핵 생성은 분자가 나노미터 크기의 덩어리로 모여 결정 구조를 이루는 단계이다.

열역학 제2법칙에도 불구하고, 순수 액체의 결정화는 균질 핵 생성[13]의 높은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에 응고점보다 낮은 온도에서 과냉각 현상이 나타날 수 있다.

2. 2. 불균일 핵 생성

불순물, 용기 표면, 기존 결정 등 외부 요인에 의해 핵 생성이 촉진되는 현상이다. 이전 계면의 부분적인 파괴로 인해 일부 에너지가 방출되어 과냉각점이 녹는점에 가까워지거나 같아진다. 1기압에서 물의 녹는점은 0°C에 매우 가깝고, 핵 생성 물질이 존재하면 물의 어는점은 녹는점에 가깝지만, 핵 생성 물질이 없으면 물은 얼기 전에 -40°C까지 과냉각될 수 있다.[4][5] 고압(2,000 기압) 하에서는 물이 얼기 전에 -70°C까지 과냉각된다.[6] 이는 균일 핵 생성보다 낮은 에너지로 발생한다.

3. 과냉각

열역학 제2법칙에도 불구하고, 순수 액체의 결정화는 균일 핵 생성의 높은 활성화 에너지 때문에 일반적으로 녹는점보다 낮은 온도에서 시작된다. 핵 생성은 새로운 상의 경계에서 계면(界面) 형성을 의미한다. 각 상의 표면 에너지를 기반으로 이 계면을 형성하는 데 어느 정도의 에너지가 소모된다. 가상의 핵이 너무 작으면 부피를 형성하여 방출되는 에너지가 표면을 생성하기에 충분하지 않아 핵 생성이 진행되지 않는다. 안정적인 핵을 형성할 만큼 충분한 에너지를 제공할 수 있을 만큼 온도가 낮아질 때까지 냉각은 시작되지 않는다. 용기 표면의 불규칙성, 고체 또는 기체 불순물, 미리 형성된 고체 결정 또는 기타 핵 생성 물질이 존재하는 경우, 이전 계면의 부분적인 파괴로 인해 일부 에너지가 방출되어 과냉각점이 녹는점에 가까워지거나 같아지는 불균일 핵 생성이 발생할 수 있다. 1기압에서 물의 녹는점은 0°C에 매우 가깝고, 핵 생성 물질이 존재하면 물의 어는점은 녹는점에 가깝지만, 핵 생성 물질이 없으면 물은 얼기 전에 -40°C까지 과냉각될 수 있다.[4][5] 2,000 기압 하에서는 물이 얼기 전에 -70°C까지 과냉각된다.[6]

4. 발열 반응

결빙은 거의 항상 발열 과정이며, 액체가 고체로 변할 때 열과 압력이 방출됨을 의미한다. 물질의 온도가 결빙 중에 상승하지 않는다는 점에서 종종 반직관적으로 보이지만, 액체가 과냉각된 경우는 예외이다. 하지만 결빙 액체에서 열을 지속적으로 제거해야만 결빙 과정이 멈추지 않기 때문에 이를 이해할 수 있다. 결빙 시 방출되는 에너지는 잠열이며, 융해열로 알려져 있고, 같은 양의 고체를 녹이는 데 필요한 에너지와 정확히 같다.[7]

저온 헬륨은 일반적인 규칙의 유일하게 알려진 예외이다. 헬륨-3은 0.3K 미만의 온도에서 융해열이 음수이다. 헬륨-4 또한 0.8K 미만에서 매우 약간 음수의 융해열을 갖는다. 즉, 적절한 일정 압력에서 이러한 물질을 동결시키려면 열을 ''추가''해야 한다.[8]

5. 유리화

유리나 글리세롤과 같은 특정 물질은 결정화되지 않고 굳어질 수 있는데, 이러한 물질을 비정질 고체라고 한다. 비정질 물질과 일부 고분자는 특정 온도에서 급격한 상 변화가 없으므로 어는점이 없다. 대신, 온도 범위에 걸쳐 점탄성 특성이 점진적으로 변화한다. 이러한 물질은 유리 전이 온도에서 발생하는 유리 전이로 특징지어지는데, 이는 물질의 밀도 대 온도 그래프의 "무릎" 점으로 대략적으로 정의할 수 있다. 유리화는 비평형 과정이기 때문에, 결정 상태와 액체 상태 사이의 평형을 필요로 하는 어는점과는 다르다.[1]

유리화는 유리나 글리세롤과 같은 특정 물질이 결정화 없이 고체화되는 현상을 말하며, 이러한 과정에서 생성되는 물체는 비정질 고체라고 한다.[2] 비정질 물체는 폴리머 물체와 마찬가지로 응고점에서 응고되지 않고 특정 온도에서 급격하게 변화하지 않는다. 대신 융점 부근의 온도 범위에서 점탄성의 특징인 완만한 변화를 보인다. 이러한 물체는 유리 전이 온도로 특징지어지며, 변이점에 급격한 변화 없이 완만한 S자 형태를 그린다.[2]

6. 팽창

대부분의 물질은 얼면서 부피가 줄어들지만, 물은 예외적으로 팽창한다.

7. 생물체의 냉동

많은 생물은 동결방지제, 핵 생성 방지 단백질 등을 이용하여 어는점 이하의 온도에서 생존할 수 있다. 일부 세균은 얼음 형성을 촉진하는 단백질을 생성하여 식물에 피해를 주기도 한다.

경화 과정을 통해 일부 식물은 0°C 이하의 온도에서 수주 또는 수개월 동안 생존할 수 있다.

선충류, 파충류, 양서류 등 일부 동물은 동결 상태에서 생존할 수 있다. 인간의 생식세포와 배아는 냉동보존 기술을 통해 장기간 보관할 수 있다.

냉동인간 보존술은 나중에 되살리기 위해 인간을 동결하는 실험적인 시도이다.

7. 1. 냉동생물학

많은 생물이 물의 어는점 이하의 온도에서 장시간 동안 견딜 수 있다. 대부분의 생물은 날카로운 얼음 결정에 의한 서리 피해로부터 자신을 보호하기 위해 동결방지제와 같은 핵 생성 방지 단백질, 폴리올, 그리고 포도당과 같은 물질을 축적한다. 특히 대부분의 식물은 -4°C ~ -12°C의 온도까지 안전하게 견딜 수 있다. 특히 ''슈도모나스 시린가에''와 같은 특정 세균은 강력한 빙핵 형성 물질 역할을 하는 특수 단백질을 생성하여 약 -2°C에서 다양한 과일과 식물의 표면에 얼음 형성을 유도한다.[9] 동결은 상피 조직에 손상을 입히고 기저 식물 조직의 영양분을 세균이 이용할 수 있게 한다.[10]

세 종류의 박테리아, ''Carnobacterium pleistocenium'', ''Chryseobacterium greenlandensis'' 그리고 ''Herminiimonas glaciei''가 수천 년 동안 얼음 속에 갇혀 있다가 부활했다는 보고가 있다.

7. 2. 냉동 보존

많은 생물체는 물의 어는점 이하의 온도에서 장시간 동안 견딜 수 있다. 대부분의 생물체는 날카로운 얼음 결정에 의한 서리 피해로부터 자신을 보호하기 위해 동결방지제와 같은 핵 생성 방지 단백질, 폴리올, 그리고 포도당과 같은 물질을 축적한다. 특히 대부분의 식물은 -4°C ~ -12°C의 온도까지 안전하게 견딜 수 있다. 특히 ''슈도모나스 시린가에''와 같은 특정 세균은 강력한 빙핵 형성 물질 역할을 하는 특수 단백질을 생성하여 약 -2°C에서 다양한 과일과 식물의 표면에 얼음 형성을 유도한다.[9] 동결은 상피 조직에 손상을 입히고 기저 식물 조직의 영양분을 세균이 이용할 수 있게 한다.[10]

선충류인 *위액선충(Haemonchus contortus)*는 액체 질소 온도에서 44주 동안 생존할 수 있다. 0°C 이하의 온도에서 생존하는 다른 선충류로는 *회충류(Trichostrongylus colubriformis)*와 *파나그롤라임무스 다비디(Panagrolaimus davidi)*가 있다. 많은 종류의 파충류와 양서류도 동결 상태에서 생존한다.

인간의 생식세포와 2세포기, 4세포기, 8세포기 배아는 동결 후에도 생존 가능하며 최대 10년 동안 생존할 수 있는데, 이 과정을 냉동보존이라고 한다.

8. 식품 보존

결빙은 음식 보존의 일반적인 방법으로, 음식이 썩는 것을 지체시키고 미생물의 성장을 억제한다. 낮은 온도에서는 반응 속도가 느려지고, 박테리아가 자라는데 필요한 물의 활성이 낮아지기 때문이다.[1]

8. 1. 냉동 식품

냉동은 식품 보존의 일반적인 방법으로, 식품의 부패와 미생물의 성장을 늦춘다. 저온에서는 반응 속도가 느려지고, 세균 성장에 필요한 물의 양이 줄어든다. 냉동은 풍미, 향, 영양가를 보존하며, 상업적으로 널리 사용되는 식품 보존 방법이다.

참조

[1] 웹사이트 freezing http://dictionary.ii[...] 2022-11-03
[2] 웹사이트 freezing https://terminology.[...] 2022-11-03
[3] 웹사이트 All About Agar http://www.sciencebu[...] Sciencebuddies.org 2011-04-27
[4] 논문 Physiological and ecological significance of biological ice nucleators 2002-07-00
[5] 논문 Nucleation of ice and its management in ecosystems http://rsta.royalsoc[...] 2003-03-00
[6] 논문 Homogeneous nucleation of supercooled water: Results from a new equation of state 1997-11-00
[7] 서적 Chemical Principles: The Quest for Insight W. H. Freeman and Company
[8] 서적 Chemical Thermodynamics: Advanced Applications Academic Press
[9] 논문 Ice nucleation induced by pseudomonas syringae 1974-09-00
[10] 논문 Ice nucleation and antinucleation in nature 2000-12-00
[11] 서적 ボール物理化学上, 第 1 巻 p166
[12] 웹사이트 核生成と界面 http://ist.ksc.kwans[...]
[13] 문서 액체 상태에서 어떤 기반도 없이 고체가 생성되는 현상
[14] 논문 Physiological and ecological significance of biological ice nucleators
[15] 논문 Nucleation of ice and its management in ecosystems http://rsta.royalsoc[...]
[16] 논문 Homogeneous nucleation of supercooled water: Results from a new equation of state

관련 사건 타임라인

( 최근 20개의 뉴스만 표기 됩니다. )


본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com