انجماد یک فرآیند فیزیکی جذاب است که انتقال یک ماده از حالت مایع به حالت جامد را نشان می دهد. این تغییر زمانی اتفاق می افتد که دمای مایع به زیر نقطه انجماد آن کاهش یابد. نقطه انجماد دمایی است که در آن انرژی جنبشی ذرات برای غلبه بر نیروهای جذابی که آنها را به هم می‌کشد کافی نیست، که منجر به آرایش ساختار یافته‌تر به نام حالت جامد می‌شود.
در سطح مولکولی، ماده از اتم ها و مولکول هایی تشکیل شده است که دائماً در حرکت هستند. در حالت مایع، این ذرات آزادانه حرکت می کنند اما به دلیل نیروهای بین مولکولی نزدیک می مانند. با کاهش دما، انرژی جنبشی این ذرات نیز کاهش می یابد. هنگامی که مایع به نقطه انجماد خود می رسد، ذرات دیگر انرژی کافی برای حرکت از کنار یکدیگر را ندارند و در نتیجه ساختار شبکه ای ایجاد می شود که یک جامد را تشکیل می دهد.
مواد مختلف نقاط انجماد متفاوتی دارند. به عنوان مثال، آب در دمای 0 درجه سانتیگراد (32 درجه فارنهایت) تحت فشار اتمسفر استاندارد منجمد می شود. با این حال، نقطه انجماد را می توان با تغییر فشار یا وجود ناخالصی هایی مانند نمک یا قند در آب تغییر داد. پدیده ای که در آن ناخالصی ها نقطه انجماد یک محلول را کاهش می دهند به عنوان فرورفتگی نقطه انجماد شناخته می شود.
در زمینه آب، افزودن نمک به آن نقطه انجماد را کاهش می دهد، اصلی که به طور گسترده در یخ زدایی جاده ها در زمستان استفاده می شود. ذرات نمک با تشکیل ساختار یخ تداخل می کنند، بنابراین دمایی که آب می تواند در آن یخ بزند را کاهش می دهد.
نمودار فاز یک نمایش گرافیکی است که وضعیت ماده (جامد، مایع یا گاز) یک ماده را در دماها و فشارهای مختلف نشان می دهد. خطی که ناحیه جامد و مایع را در نمودار فاز از هم جدا می کند، خط ذوب/انجماد نامیده می شود. نقطه تلاقی این خط با محور فشار در فشار اتمسفر، نقطه انجماد استاندارد ماده را نشان می دهد.
نمودارهای فازی رابطه بین فشار و نقطه انجماد را برجسته می کنند. برای اکثر مواد، افزایش فشار نقطه انجماد را افزایش می دهد. اما آب به دلیل خواص منحصر به فردش از این قاعده مستثنی است. هنگامی که آب فشرده می شود، به مایع تبدیل می شود، بنابراین در فشارهای بالاتر نقطه انجماد آن پایین می آید. این رفتار غیرعادی به دلیل ساختار یخ است که چگالی کمتری نسبت به آب مایع دارد.
در طول فرآیند انجماد، دمای یک ماده تا زمانی که کل مایع به جامد تبدیل شود، ثابت می ماند. این دمای ثابت حفظ می شود زیرا انرژی آزاد شده هنگام پیوستن مولکول ها به ساختار جامد، اتلاف انرژی جنبشی را جبران می کند. مقدار انرژی مورد نیاز برای تبدیل 1 کیلوگرم یک ماده از مایع به جامد در نقطه انجماد آن به عنوان گرمای نهان همجوشی شناخته می شود. برای آب، این مقدار تقریباً 334000 ژول در کیلوگرم ( \(334 kJ/kg\) ) است.
انجماد نقش مهمی در فرآیندهای مختلف طبیعی و صنعتی دارد:
در زندگی روزمره، انجماد آب در یخ، نمونه‌های ساده و در عین حال تاثیرگذاری از این فرآیند فیزیکی را در اختیار ما قرار می‌دهد. تشکیل یخ در محیط، مانند یخبندان روی گیاهان یا یخ در دریاچه ها در طول زمستان، نشان می دهد که چگونه یخ زدگی می تواند مناظر و اکوسیستم ها را تغییر دهد. علاوه بر این، فعالیت رایج خانگی در ساختن مکعب های یخ در فریزر، انجماد را به عنوان وسیله ای برای انتقال انرژی حرارتی نشان می دهد، جایی که آب مایع گرما را به محیط خنک تر فریزر از دست می دهد و به تدریج یخ جامد را تشکیل می دهد.
آزمایشی که مفهوم فرورفتگی نقطه انجماد را نشان می دهد شامل مخلوط کردن نمک با یخ است. هنگامی که نمک به یخ (آب جامد) اضافه می شود، نقطه انجماد آبی که با یخ در تماس است را کاهش می دهد. این پدیده را می توان با قرار دادن مخلوطی از یخ و نمک در یک کاسه و توجه به اینکه چگونه یخ در شرایط مشابه بدون نمک سریعتر ذوب می شود مشاهده کرد. این آزمایش نشان می دهد که چگونه ناخالصی ها (در این مورد نمک) بر نقطه انجماد یک ماده تأثیر می گذارد.
انجماد نه تنها یک پدیده مورد علاقه علمی است، بلکه فرآیندی با پیامدهای زیست محیطی قابل توجهی است. تشکیل یخ در قطب ها با بازتاب نور خورشید به فضا، آب و هوای زمین را تنظیم می کند و در نتیجه دمای سیاره را در محدوده قابل زندگی حفظ می کند. علاوه بر این، انجماد فصلی و ذوب یخ های زمین در مناطق سردتر برای حفظ اکوسیستم ها حیاتی است، زیرا بر ساختار خاک، در دسترس بودن آب و توزیع مواد مغذی تأثیر می گذارد.
فن آوری های انجماد به طور قابل توجهی برای یافتن کاربردها در زمینه های مختلف، از نگهداری مواد غذایی گرفته تا دارو، تکامل یافته اند. با این حال، چالش‌هایی مانند بهینه‌سازی فرآیندهای انجماد برای کاهش مصرف انرژی و توسعه روش‌هایی برای جلوگیری از آسیب به بافت‌های بیولوژیکی در طول انجماد باقی مانده است. پیشرفت‌ها در علم مواد و ترمودینامیک همچنان به تکنیک‌های انجماد کارآمدتر و مؤثرتر کمک می‌کند و ارتباط و اهمیت مداوم درک فرآیند انجماد در سیستم‌های طبیعی و مهندسی را برجسته می‌کند.
انجماد یک فرآیند فیزیکی اساسی با پیامدهای گسترده در حوزه های مختلف زندگی و علم است. درک اصول پشت انجماد - اثرات دما، فشار و ناخالصی ها بر تغییر حالت از مایع به جامد - بینش های ارزشمندی را در مورد پدیده های طبیعی، کاربردهای صنعتی و توسعه فناوری هایی ارائه می دهد که بر زندگی روزمره ما و محیط جهانی تأثیر می گذارد.
