Der Gefrierpunkt kann als die Temperatur definiert werden, bei der sich eine Flüssigkeit bei einem gegebenen Druck in einen Feststoff umwandelt. Der Gefrierpunkt wird normalerweise definiert, nachdem eine Flüssigkeit niedrigen Temperaturen ausgesetzt wurde. Bei einigen Substanzen tritt jedoch ein Gefrieren auf, nachdem die Flüssigkeit eine Temperaturerhöhung erfährt. Die häufigste Substanz, Wasser, hat einen Gefrierpunkt von 0o Celsius.
Unterkühlung
Unterkühlung ist der Prozess, bei dem eine Flüssigkeit trotz Temperaturen unter dem Gefrierpunkt nicht in eine feste Form übergeht. Eine solche Flüssigkeit kristallisiert erst, nachdem ein zusätzlicher Keimkern oder Impfkristall hinzugefügt wurde. Wenn die Flüssigkeit jedoch ihre ursprüngliche strukturelle Zusammensetzung beibehält, erstarrt sie. Unterkühlte Flüssigkeiten haben unterschiedliche physikalische Eigenschaften, von denen viele von Wissenschaftlern noch nicht abschließend verstanden werden. Es ist bekannt, dass Wasser nach dem Unterkühlen selbst bei so niedrigen Temperaturen wie - (negativ) 400 im flüssigen Zustand verbleibt0 Celsius und unter Hochdruckbedingungen wird unterkühltes Wasser bei niedrigen Temperaturen von - (negativ) 700 Celsius in einem flüssigen Zustand bleiben. Zum Vergleich ist der Gefrierpunkt von reinem Wasser unter normalen Bedingungen 00 Celsius.
Kristallisation
In den meisten Flüssigkeiten beinhaltet das Gefrieren eine Kristallisation. Kristallisation ist der Prozess, bei dem eine Flüssigkeit bei Einwirkung niedriger Temperaturen in eine kristalline feste Form übergeht und die atomare Struktur der Flüssigkeit verändert, um eine Kristallstruktur zu bilden. Das Einfrieren wird während der Kristallisation verlangsamt und die Temperaturen bleiben konstant, bis der Gefriervorgang abgeschlossen ist. Andere Faktoren, die den Kristallisationsprozeß beeinflussen, sind neben der Temperatur die Ionisation und die Polarität der Flüssigkeit.
Vitrifikation
Es gibt zahlreiche Substanzen, die selbst bei niedrigen Temperaturen nicht kristallisieren, sondern einen sogenannten Verglasungsvorgang durchlaufen, bei dem sie ihren flüssigen Zustand beibehalten, aber die niedrigen Temperaturen ihre viskoelastischen Eigenschaften verändern. Solche Substanzen sind als amorphe Feststoffe bekannt. Einige Beispiele für diese amorphen Feststoffe sind Glycerin und Glas. Es ist auch bekannt, dass einige Formen von Polymeren verglasen. Der Prozess der Vitrifizierung unterscheidet sich vom Gefrieren, da er als ein Nicht-Gleichgewichtsprozess definiert ist, bei dem kein Gleichgewicht zwischen einer kristallinen und seiner flüssigen Form existiert.
Exotherme und endotherme Einfrierung
Der Gefrierprozess in den meisten Verbindungen ist in erster Linie ein exothermer Prozess, was bedeutet, dass Druck und Wärme freigesetzt werden müssen, damit sich die Flüssigkeit in einen festen Zustand umwandeln kann. Diese Wärme, die freigesetzt wird, ist eine latente Wärme und wird auch Schmelzenthalpie genannt. Die Schmelzenthalpie ist die Energie, die benötigt wird, um eine Flüssigkeit in einen Feststoff zu verwandeln und umgekehrt. Die einzige bemerkenswerte Ausnahme von dieser Definition ist jede unterkühlte Flüssigkeit aufgrund der Änderung ihrer physikalischen Eigenschaften. Es gibt ein Element, von dem bekannt ist, dass es endothermes Gefrieren zeigt, wo die Temperatur erhöht werden muss, damit das Gefrieren stattfindet. Dieses Element ist Helium-3, das bei einem bestimmten Druck eine Temperaturerhöhung zum Einfrieren erfordert und daher als eine negative Schmelzenthalpie aufweisend bezeichnet werden kann.
