Transition de phase du liquide au solide

Gel est une transition de phase dans laquelle un liquide se transforme en solide lorsque sa température descend en dessous de son point de congélation.^[1][2]

Pour la plupart des substances, les points de fusion et de congélation sont à la même température ; cependant, certaines substances possèdent des températures de transition solide-liquide différentes. Par exemple, la gélose présente une hystérésis dans son point de fusion et son point de congélation. Il fond à 85 °C (185 °F) et se solidifie de 32 à 40 °C (90 à 104 °F).^[3]

La plupart des liquides gèlent par cristallisation, formation d’un solide cristallin à partir du liquide uniforme. Il s’agit d’une transition de phase thermodynamique de premier ordre, ce qui signifie que tant que le solide et le liquide coexistent, la température de l’ensemble du système reste très proche du point de fusion en raison de la lente évacuation de la chaleur au contact de l’air, qui est un mauvais conducteur de chaleur.^{[citation needed]} En raison de la chaleur latente de fusion, la congélation est considérablement ralentie et la température ne baissera plus une fois la congélation commencée mais continuera de baisser une fois terminée.^{[citation needed]}

La cristallisation comprend deux événements majeurs, la nucléation et la croissance cristalline. « Nucléation » est l’étape au cours de laquelle les molécules commencent à se rassembler en amas, à l’échelle nanométrique, s’organisant d’une manière définie et périodique qui définit la structure cristalline. « Croissance cristalline » est la croissance ultérieure des noyaux qui parviennent à atteindre la taille critique d’amas.

La cristallisation des liquides purs commence généralement à une température inférieure au point de fusion, en raison de l’énergie d’activation élevée de la nucléation homogène. La création d’un noyau implique la formation d’une interface aux frontières de la nouvelle phase. Une certaine énergie est dépensée pour former cette interface, en fonction de l’énergie de surface de chaque phase. Si un noyau hypothétique est trop petit, l’énergie qui serait libérée en formant son volume n’est pas suffisante pour créer sa surface et la nucléation n’a pas lieu. La congélation ne commence que lorsque la température est suffisamment basse pour fournir suffisamment d’énergie pour former des noyaux stables. En présence d’irrégularités à la surface du récipient contenant, d’impuretés solides ou gazeuses, de cristaux solides préformés ou d’autres nucléateurs, une nucléation hétérogène peut se produire, où une certaine énergie est libérée par la destruction partielle de l’interface précédente, élevant le point de surfusion pour qu’il soit proche ou égal au point de fusion. Le point de fusion de l’eau à 1 atmosphère de pression est très proche de 0 °C (32 °F ; 273 K), et en présence de substances nucléantes, le point de congélation de l’eau est proche du point de fusion, mais en l’absence de nucléateurs, l’eau peut surfondre jusqu’à -40 °C (-40 °F ; 233 K) avant de geler.^[4][5] Sous haute pression (2 000 atmosphères), l’eau surfondra jusqu’à -70 °C (-94 °F ; 203 K) avant de geler.^[6]

La congélation est presque toujours un processus exothermique, ce qui signifie que lorsque le liquide se transforme en solide, de la chaleur et de la pression sont libérées. Ceci est souvent considéré comme contre-intuitif, puisque la température du matériau n’augmente pas pendant la congélation, sauf si le liquide est en surfusion. Mais cela peut être compris puisque la chaleur doit être continuellement évacuée du liquide de congélation, sinon le processus de congélation s’arrêtera. L’énergie libérée lors de la congélation est une chaleur latente, connue sous le nom d’enthalpie de fusion et est exactement la même que l’énergie nécessaire pour faire fondre la même quantité de solide.

L’hélium à basse température est la seule exception connue à la règle générale.^[7] L’hélium-3 a une enthalpie de fusion négative à des températures inférieures à 0,3 K. L’hélium-4 a également une enthalpie de fusion très légèrement négative en dessous de 0,8 K. Cela signifie que, à des pressions constantes appropriées, la chaleur doit être ajouté à ces substances afin de les congeler.^[8]

Certains matériaux, comme le verre et le glycérol, peuvent durcir sans cristalliser ; on les appelle des solides amorphes. Les matériaux amorphes, ainsi que certains polymères, n’ont pas de point de congélation, car il n’y a pas de changement de phase brusque à une température spécifique. Au lieu de cela, leurs propriétés viscoélastiques changent progressivement sur une plage de températures. De tels matériaux sont caractérisés par une transition vitreuse qui se produit à une température de transition vitreuse, qui peut être grossièrement définie comme le point « genou » du graphique densité/température du matériau. La vitrification étant un processus hors équilibre, elle n’est pas considérée comme une congélation, qui nécessite un équilibre entre l’état cristallin et l’état liquide.

De nombreux organismes vivants sont capables de tolérer des périodes prolongées à des températures inférieures au point de congélation de l’eau. La plupart des organismes vivants accumulent des cryoprotecteurs tels que des protéines antinucléantes, des polyols et du glucose pour se protéger contre les dommages causés par le gel par les cristaux de glace pointus. La plupart des plantes, en particulier, peuvent atteindre en toute sécurité des températures comprises entre −4 °C et −12 °C. Certaines bactéries, notamment Pseudomonas syringaeproduisent des protéines spécialisées qui servent de puissants nucléateurs de glace, qu’ils utilisent pour forcer la formation de glace à la surface de divers fruits et plantes à environ -2 °C.^[9] Le gel provoque des lésions dans les épithéliums et rend les nutriments contenus dans les tissus végétaux sous-jacents disponibles pour les bactéries.^[10]

Trois espèces de bactéries, Carnobactérie pléistocéniumainsi que Chryseobacterium greenlandensis et Herminiimonas glacieiauraient été ressuscités après avoir survécu pendant des milliers d’années, gelés dans la glace.^{[citation needed]}

De nombreuses plantes subissent un processus appelé durcissement, qui leur permet de survivre à des températures inférieures à 0 °C pendant des semaines, voire des mois.

Le nématode Haemonchus contortus peut survivre 44 semaines congelées à la température de l’azote liquide. D’autres nématodes qui survivent à des températures inférieures à 0 °C comprennent Trichostrongylus colubriformis et Panagrolaimus Davidi. De nombreuses espèces de reptiles et d’amphibiens survivent au gel.

Les gamètes humains et les embryons à 2, 4 et 8 cellules peuvent survivre à la congélation et sont viables jusqu’à 10 ans, un processus connu sous le nom de cryoconservation.

Les tentatives expérimentales visant à geler des êtres humains pour une résurrection ultérieure sont connues sous le nom de cryonie.

La congélation est une méthode courante de conservation des aliments qui ralentit à la fois la décomposition des aliments et la croissance des micro-organismes. Outre l’effet des températures plus basses sur les vitesses de réaction, la congélation rend l’eau moins disponible pour la croissance des bactéries. La congélation est une méthode de conservation des aliments largement utilisée. La congélation préserve généralement les saveurs, l’odeur et le contenu nutritionnel. La congélation est devenue commercialement viable.

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