Đóng băng là một quá trình vật lý hấp dẫn đánh dấu sự chuyển đổi của một chất từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn. Sự biến đổi này xảy ra khi nhiệt độ của chất lỏng hạ xuống dưới điểm đóng băng của nó. Điểm đóng băng là nhiệt độ tại đó động năng của các hạt không đủ để thắng lực hấp dẫn kéo chúng lại với nhau, dẫn đến sự sắp xếp có cấu trúc hơn được gọi là trạng thái rắn.
Ở cấp độ phân tử, vật chất bao gồm các nguyên tử và phân tử không ngừng chuyển động. Ở trạng thái lỏng, các hạt này chuyển động tự do nhưng vẫn ở gần nhau do lực liên phân tử. Khi nhiệt độ giảm, động năng của các hạt này cũng giảm theo. Khi chất lỏng đạt đến điểm đóng băng, các hạt không còn đủ năng lượng để di chuyển qua nhau, dẫn đến cấu trúc mạng tinh thể tạo thành chất rắn.
Các chất khác nhau có điểm đóng băng khác nhau. Ví dụ, nước đóng băng ở 0°C (32°F) dưới áp suất khí quyển tiêu chuẩn. Tuy nhiên, điểm đóng băng có thể bị thay đổi bằng cách thay đổi áp suất hoặc do sự có mặt của tạp chất, chẳng hạn như muối hoặc đường trong nước. Hiện tượng tạp chất làm giảm điểm đóng băng của dung dịch được gọi là hiện tượng giảm điểm đóng băng .
Trong bối cảnh nước, thêm muối vào sẽ làm giảm điểm đóng băng, một nguyên tắc được sử dụng rộng rãi để làm tan băng trên đường vào mùa đông. Các hạt muối cản trở sự hình thành cấu trúc băng, do đó làm giảm nhiệt độ mà nước có thể đóng băng.
Sơ đồ pha là một biểu diễn đồ họa cho thấy trạng thái vật chất (rắn, lỏng hoặc khí) của một chất ở các nhiệt độ và áp suất khác nhau. Đường phân chia vùng rắn và lỏng trên sơ đồ pha được gọi là đường nóng chảy/đóng băng . Điểm mà đường này giao với trục áp suất ở áp suất khí quyển biểu thị điểm đóng băng tiêu chuẩn của chất.
Sơ đồ pha làm nổi bật mối quan hệ giữa áp suất và điểm đóng băng. Đối với hầu hết các chất, việc tăng áp suất sẽ làm tăng điểm đóng băng. Tuy nhiên, nước là một ngoại lệ đối với quy tắc này do tính chất độc đáo của nó. Khi nước bị nén, nó có xu hướng trở thành chất lỏng, do đó làm cho điểm đóng băng của nó thấp hơn dưới áp suất cao hơn. Hành vi bất thường này là do cấu trúc của băng, nhẹ hơn nước lỏng.
Trong quá trình đóng băng, nhiệt độ của một chất không đổi cho đến khi toàn bộ chất lỏng chuyển thành chất rắn. Nhiệt độ không đổi này được duy trì vì năng lượng giải phóng khi các phân tử tham gia vào cấu trúc rắn sẽ bù đắp cho sự mất đi động năng. Lượng năng lượng cần thiết để biến đổi 1 kg một chất từ thể lỏng sang thể rắn ở điểm đóng băng của nó được gọi là ẩn nhiệt của phản ứng tổng hợp . Đối với nước, giá trị này xấp xỉ 334.000 Joules mỗi kg ( \(334 kJ/kg\) ).
Đóng băng đóng một vai trò quan trọng trong các quá trình tự nhiên và công nghiệp khác nhau:
Trong cuộc sống hàng ngày, việc đóng băng nước thành băng cung cấp cho chúng ta những ví dụ đơn giản nhưng có sức ảnh hưởng lớn về quá trình vật lý này. Sự hình thành băng trong môi trường, chẳng hạn như sương giá trên thực vật hoặc băng trên hồ vào mùa đông, cho thấy sự đóng băng có thể làm thay đổi cảnh quan và hệ sinh thái như thế nào. Ngoài ra, hoạt động phổ biến của hộ gia đình là làm đá viên trong tủ đông cho thấy quá trình đóng băng như một phương tiện truyền năng lượng nhiệt, trong đó nước lỏng mất nhiệt sang môi trường mát hơn của tủ đông, dần dần hình thành băng rắn.
Một thí nghiệm minh họa khái niệm giảm điểm đóng băng liên quan đến việc trộn muối với nước đá. Khi muối được thêm vào nước đá (nước rắn), nó sẽ làm giảm điểm đóng băng của nước tiếp xúc với băng. Hiện tượng này có thể được quan sát bằng cách đặt hỗn hợp đá và muối vào một cái bát và quan sát thấy băng tan nhanh hơn so với khi ở cùng điều kiện không có muối. Thí nghiệm này nêu bật mức độ ảnh hưởng của tạp chất (trong trường hợp này là muối) đến điểm đóng băng của một chất.
Đóng băng không chỉ là một hiện tượng được khoa học quan tâm mà còn là một quá trình có ý nghĩa quan trọng đối với môi trường. Sự hình thành băng ở hai cực điều chỉnh khí hậu Trái đất bằng cách phản chiếu ánh sáng mặt trời trở lại không gian, do đó duy trì nhiệt độ của hành tinh trong phạm vi có thể sống được. Ngoài ra, sự đóng băng và tan băng theo mùa của băng ngầm ở những vùng lạnh hơn là rất quan trọng để duy trì hệ sinh thái vì chúng ảnh hưởng đến cấu trúc đất, nguồn nước và sự phân phối chất dinh dưỡng.
Công nghệ đông lạnh đã phát triển đáng kể để tìm kiếm ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ bảo quản thực phẩm đến y học. Tuy nhiên, vẫn còn những thách thức, chẳng hạn như tối ưu hóa quy trình đông lạnh để giảm tiêu thụ năng lượng và phát triển các phương pháp ngăn ngừa tổn thương các mô sinh học trong quá trình bảo quản lạnh. Những tiến bộ trong khoa học vật liệu và nhiệt động lực học tiếp tục góp phần tạo ra các kỹ thuật đóng băng hiệu quả và hiệu quả hơn, nêu bật sự liên quan và tầm quan trọng liên tục của việc tìm hiểu quá trình đóng băng trong cả hệ thống tự nhiên và kỹ thuật.
Đóng băng là một quá trình vật lý cơ bản có ý nghĩa sâu rộng trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống và khoa học. Hiểu các nguyên tắc đằng sau sự đóng băng—tác động của nhiệt độ, áp suất và tạp chất đến sự thay đổi trạng thái từ lỏng sang rắn—cung cấp những hiểu biết có giá trị về các hiện tượng tự nhiên, ứng dụng công nghiệp và sự phát triển của công nghệ tác động đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta và môi trường toàn cầu.
