הקפאה

הקפאה או התמצקות היא תהליך שבו חומר עובר ממצב נוזל למצב מוצק.
נקודת הקיפאון היא הטמפרטורה שבה זה קורה. הנקודה הזו תלויה גם בלחץ, לכן שינוי לחץ יכול להשפיע על הקפאה.

מצב מוצק ונוזל נבדלים בעיקר בצפיפות. כל מצב כזה נקרא פאזה (פאזה = מצב צבירה שמאופיין בפרמטר סדר, כמו צפיפות).
ההקפאה היא מעבר פאזה מסדר ראשון. משמעות הדבר היא שיש שינוי חד בפרמטר הסדר, לדוגמה בשינוי בצפיפות בין מים לקרח.
מעבר זה מאפשר דו־קיום של שתי הפאזות בו זמנית, כשחום כמוס (חום שמשריין ללא שינוי טמפרטורה) מוסר או נספג.
בעת הגעה לנקודת הקיפאון הטמפרטורה נשארת קבועה עד להשלמת ההתמצקות כולה.

ברבים מהמוצקים הצורה הסדירה היא גבישית. גבישים מתחילים כגרעינים קטנים בנוזל. גרעין כזה נוצר סביב אתר תגרענות, פגם או לכלוך.
לגודל הגרעין יש תחרות בין תרומה של נפח (טוב יותר מבחינה תרמודינמית) לבין אנרגיית המשטח (שיקרה ביחס לגודל).
אי־שיווי משקל זה יוצר גודל קריטי: אם הגרעין קטן ממנו, הוא נעלם; אם גדול, הוא גדל והופך את הנוזל למוצק.
נוכחות פגמים או תערובות מורידה את האנרגיה הדרושה להיווצרות גרעין, וכך מקלה על ההתגבשות.
הסיכוי להיווצרות גרעינים גדולים תלוי בטמפרטורה; בדרך כלל הסיכוי קטן קרוב לנקודת הקיפאון ועולה כשמקררים יותר.

בנוזלים טהורים ובכלים חלקים אין אתרי תגרענות בקלות. לכן הם יכולים להישאר נוזליים גם מתחת לטמפרטורת הקיפאון.\nמצב כזה נקרא קירור-על (supercooling) והוא מצב מטא־סטבילי, כלומר יציב זמנית אך לא בתנאי שיווי משקל.
הפרעה קטנה, כמו תרעום או חתיכת אבק, יכולה לגרום לגרעינים לגדול ולגרום להקפאה פתאומית.

אם מקררים מהר מדי, אין זמן ליצירת מבנה גבישי. הנוזל "מקפיא" לצורת זכוכית, מוצק אמורפי ללא סדר ארוך טווח.
הזכוכית שונה מקירור-על: הנוזל בקירור-על נשאר בשיווי משקל פאזה נוזלית, בעוד שהזכוכית מחוץ לשיווי משקל.
מעבר לזכוכית אינו מלווה בחום כמוס בדרך כלל, ולכן אינו דומה למעבר פאזה מסדר ראשון.
תכונות הזכוכית תלויות בקצב הקירור ובאיך מולקולות הסידרו בזמן ההקפאה.

הקפאה היא שינוי שבו נוזל הופך למוצק, למשל מים שהופכים לקרח.
נקודת הקיפאון היא הטמפרטורה שבה זה קורה. שינוי בלחץ גם יכול להשפיע.

מוצק ונוזל שונים בצפיפות. למשל, קרח פחות צפוף ממים.
כשנוזל קופא, הטמפרטורה נשארת קבועה עד שכל הנוזל מתקשה. זה כי משתחררת אנרגיה מיוחדת שנקראת חום כמוס.

המוצק בדרך כלל מרוכב ממבנים מסודרים שנקראים גבישים. הם מתחילים כמקצתים קטנים שנקראים גרעינים.
הגרעין יכול להתקיים או להיעלם. אם הוא גדול מספיק, הוא גדל והופך לחלק מהגביש.
לכלוך או פגם עוזרים להתחיל את הגרעינים.

מים נקיים יכולים להישאר נוזליים גם מתחת לנקודת הקיפאון. זה נקרא קירור-על.
המים האלה עלולים לקפוא פתאום אם נענעים או שמכניסים גרעין.

אם מקררים מהר מאוד, הנוזל לא מצליח לסדר גבישים.
הוא נעשה כמו זכוכית, מוצק בלי סדר ארוך טווח.
זכוכית שונה מקרח כי אין שחרור חום כמוס וכל התהליך הדרגתי.