ĐIỂM QUÁ LẠNH TRONG QUÁ TRÌNH LÀM LẠNH ĐÔNG

Trong quá trình làm lạnh đông nước luôn có một thời điểm xảy ra rất đặc biệt, là nhiệt độ của nước giảm xuống dưới 0oC mà chúng vẫn chưa kết tinh (đông đặc), gọi là điểm quá lạnh. Sau đó nhiệt độ của nước lại nâng lên bằng 0oC khi đó quá trình kết tinh mới xảy ra. Câu hỏi này trong một thời gian dài vẫn còn rất nhiều người thắc mắc, chưa tìm câu trả lời một cách thuyết phục, đây là vấn đề rất được quan tâm của các người nghiên cứu về hóa học & thực phẩm.

Để giải thích câu hỏi này tôi sẽ nhắc lại các bạn đọc một số vấn đề về quá trình chuyển pha trong quá trình đông đặc (kết tinh) sau:

+) Quá trình đông đặc của nước là quá trình kết tinh lạnh trong môi trường có nhiệt độ dưới nhiệt độ kết tinh của nước "Tkt = 0oC tại áp suất khí quyển (P = 1at)".

+) Nếu bỏ qua giai đoạn quá lạnh (chưa giải thích), khi nhiệt độ của nước đạt tới nhiệt độ kết tinh 0oC, quá trình kết tinh của nước sẽ xảy ra, nhiệt lượng lấy ra trong quá trình kết tinh không phải làm giảm nhiệt độ của nước, mà lượng nhiệt của nước cần lấy ra để thực hiện quá trình chuyển pha từ lỏng sang rắn.

--> Nhiệt chuyển pha được xác định: Qkt = m.L (kJ), với m (kg) khối lượng nước chuyển pha, L (kJ/kg) ẩn nhiệt động đặc của nước (ứng mỗi chất khác nhau có ẩn nhiệt đông đặc khác nhau)

--> Quá trình kết tinh xảy ra trong điều kiện nhiệt độ & áp suất không đổi (Tkt = const; P = const), chỉ đúng cho nước nguyên chất. Ta có phương trình chuyển pha: dP/dT = L/[T.(V1 - V2)].

+) Quá trình kết tinh luôn trải qua 3 giai đoạn: giai đoạn 1 sự hình thành mầm tinh thể (đây chính là giai đoạn quá lạnh hay gọi là tiền kết tinh); giai đoạn 2 làm kết thước mầm tinh thể lớn lên; giai đoạn 3 là kết tinh đồng loạt, lúc này quá trình chuyển pha bắt đầu xảy ra.

+) Quá trình lạnh đông nước: Giả sử nhiệt độ ban đầu của nước là Tn = Tp = 25oC, nhiệt độ môi trường lạnh động Tf = -20oC < Tkt = 0oC, đặt cốc nước này trong môi trường luôn duy trì nhiệt độ Tf = -20oC = const bằng một hệ thống lạnh. Khi đó quá trình lạnh đông nước trải qua bốn giai đoạn (thông thường giai đoạn 1 & 2 gôm thành một giai đoạn, nên trên đồ thị chỉ biểu diễn 3 giai đoạn):

[1]. Giai đoạn 1 là giai đoạn làm lạnh, hạ nhiệt độ của cốc nước từ Tp = 25oC xuống nhiệt độ kết tinh Tkt = 0oC, tại đây nước vẫn chưa chuyển pha.

[2]. Giai đoạn 2 là giai đoạn quá lạnh, giảm nhiệt độ cốc nước xuống dưới điểm kết Tql < Tkt = 0oC, đây là giai đoạn trể nước vẫn chưa kết tinh, nó hình thành mầm tinh thể, đồng thời làm cho mầm tinh thể lớn lên.

[3]. Giai đoạn 3 là giai đoạn kết tinh, chuyển pha của nước, nhiệt độ cốc nước tăng lên trở lại bằng nhiệt độ kết tinh Tkt = 0oC để thực hiện quá trình kết tinh.

[4]. Giai đoạn 4 là giai đoạn lạnh đông sâu cũng có thể gọi là giai đoạn cân bằng nhiệt, đưa nhiệt độ cốc nước đá tiện cận với nhiệt độ môi trường.

Giải thích quá trình quá lạnh như sau:

Bình thường các phân tử H2O dao động xung quanh vị trị cân bằng của nó với năng lượng động năng Wđ = mv^2/2 = iKT/2 (m: khối lượng phân tử nước, v: vận tốc chuyển động của phân tử nước, K là hăng số Boltzman, T là nhiệt độ của phân tử nước, i là đặc tính phân tử), khi làm lạnh hệ thống lạnh sẽ lấy nhiệt của nước trong cốc thải ra ngoài môi trường để duy trì nhiệt độ môi trường làm lạnh Tf = -20oC = const (nếu không có hệ thống lạnh thì nhiệt tỏa ra của cốc nước làm nhiệt độ môi trường làm lạnh tăng).

Như vậy, khi nhiệt độ nước giảm, vận tốc phân tử nước giảm, động năng phân tử nước giảm, khi nhiệt độ nước giảm tới Tkt = 0oC khi đó các phân tử nước gần như đứng yên, các phân tử nước sắp xếp lại cấu trúc mạng tinh thể, các liên kết hydro giữa các phân tử nước co lại gần nhau hơn, quá trình hình thành mầm tinh thể bắt đầu diễn ra, sau đó các mầm sẽ hút lại với nhau để làm hạt mầm lớn lên để giảm diện tích bề mặt, giảm năng lượng của hệ để hệ vững bền hơn, năng lượng của hệ được xác định bởi công thức E = [sức căng bề mặt] x S (S là diện tích bề mặt của hạt mầm).

Quá trình sắp xếp lại mạng tinh thể để hình thành lên mầm kết tinh cần phải tổn một công, công thực hiện này phải lấy từ năng lượng của hệ, vì thế nhiệt độ của nước giảm xuống nhiệt độ quá lạnh Tql, A = Qql = m.Cp.(Tkt - Tql), thời gian xảy ra giai đoạn này rất nhanh, tức thời.

Sau khi mầm tinh thể lớn lên chúng sẽ kết tinh đồng loạt, quá trình chuyển pha xảy ra mảnh liệt, quá trình chuyển pha này luôn tỏa ra một năng lượng, làm cho nhiệt độ mầm kết tinh tăng từ nhiệt độ Tql lên nhiệt độ Tkt để thực hiện quá trình đông đặc, nhiệt tỏa ra trong quá trình chuyển pha được xác định Q = m.L, nhiệt này sẽ được hệ thống lạnh lấy thải ra ngoài, công lấy đi chính là công của máy nén lạnh.

Lưu ý: Mọi vật chất trong tự nhiên (nguyên chất hay dung dịch) đều có chung hiện tượng trễ đông đặc như vậy.

Nguồn: PGS.TS Nguyễn Tấn Dũng (SPKT.TpHCM)