凝固

凝固是指在温度降低时，物质由液态变为固态的过程，物质凝固时的温度称为凝固点。目前已知的液体几乎都可以在低温时凝固成为固体，氦是唯一的例外，常压下在绝对零度时仍为液体（液态氦），需加压才能凝固为固体。大多数的物质其凝固点和熔点温度相同。但有些物质的凝固点和熔点会不一様。例如洋菜胶有热迟滞现象：在85 °C会熔化，而凝固点在31 °C至40 °C之间。许多液体在凝固时会结晶，形成晶体的固体。结晶的过程是一阶的热力学相变化，在液态固态共存的期间，系统的平衡温度不变，等于凝固点。结晶主要包括二个现象：成核和晶体生长。成核是指分子开始聚集形成晶核，在奈米尺度以已定义的周期形式排列，其排列方式决定了晶体结构。晶体生长就是晶体持续的变大，最后到达晶核的临界大小。过冷是指液体低于熔点而没有凝固的现象。因为匀相核化结晶（英语：homogeneous nucleation）的活化能，纯液体的结晶一般会在略低于熔点时开始。晶核的形成也表示形成新相和液体之间的相界面，此过程会消耗能量，能量大小依其表面能而定，假如要形成的晶核太小，形成晶核产生的能量无法形成界面，就不会开始成核的现象。一直要到温度够低，可以产生稳定的晶核，才会开始凝固。若容器的表面有不规则，或是有固体或气体的杂质，已经形成的固体结晶，或是存在成核剂或是振动，就可能会有非匀相核化结晶，其中一些相界面的破坏会释出能量，使得过冷点接近或等于熔点。水在一大气压下的熔点很接近0 ℃，若在存在成核剂的情形下，其凝固点会很接近熔点，但若没有成核剂时，水在0 ℃以下就会出现过冷的现象，一直要到−40 ℃才会形成固体。若是在2,000大气压的高压下，水在−70 ℃之前都是处于过冷的状态。凝固过程中多半会放热，也就是说当液体相变成固体时，会释放压力和能量，这部分有些违反直觉，因为除了过冷液体外，液体在凝固时温体不会上升，但若无法持续的将能量由液体中移出，凝固过程就会停止。凝固释放的能量为潜热，一般称为熔化热，也等于等量固体在熔化时需要的能量。低温的氦是已知唯一凝固时不会放热的物质。氦3在0.3K以下有负的熔化热，氦4在0.8K以下有相当轻微的负熔化热，这表示在特定的压力下，需要提供热量才能使氦凝固。像玻璃或甘油等物质会在没有结晶的情形下凝固，这称为无定形体，无定形体也包括一些没有凝固点的聚合物，没有在某一特定温度下有突然的相变化，其粘弹性的特性是在一个温度范围内渐渐变化。这类物质有一性质称为玻璃转化温度，大约可以定义为物质的密度和温度图出现明显斜率变化的“膝点”。因为玻璃转化是一个非平衡的过程，在晶相和液相之间未达到平衡状态，一般不视为凝固。许多生物可以长期忍受摄氏零度以下低温。大部分生物会累积如抗冻蛋白、多元醇，葡萄糖等抗冻剂以避免体内的水结冻。大部分植物其至可以生存在−4 °C至−12 °C的低温。像假单胞杆菌（英语：Pseudomonas syringae）等细菌会产生特殊的蛋白质作为成核剂来，使得水果和植物表面在约−2 °C时结冰，结冻会使得表皮组织受伤，使细菌可以得到中下层植物组织中的养份。在冰冻上千年的冰块中分别有发现存活的更新世肉食杆菌（英语：Carnobacterium pleistocenium）、格陵兰金黄杆菌（英语：Chryseobacterium greenlandensis）及Herminiimonas glaciei。植物有一个称为健化（英语：Hardening (botany)）的过程，可以使植物在零度以下存活数周到数个月。捻转血矛线虫可以在液态氮中存活44周。其他可以在0 °C以下存活的线虫包括Trichostrongylus colubriformis及Panagrolaimus davidi。许多爬虫类及两栖类动物可以忍受0 °C以下的低温。人类的配子以及2,4,8个细胞的胚胎可以在冰冻条件下生存到十年，此程序称为深低温保存。人体冷冻技术是一种试验中的医学技术，把人体在极低温的情况下冷藏保存，并希望在未来通过先进的医疗科技使他们解冻后复活及治疗。冷冻也是一种常见的食物保存法，可以减缓食物腐坏的速度以及微生物生长的速度。除了低温时化学反应速率变慢外，冷冻时也可以减少细菌生长所需要的液态水。