การแช่แข็งเป็นการเปลี่ยนสถานะที่ของเหลวกลายเป็นของแข็งเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง^{[ 1 ] [ 2 ]}

สำหรับสารส่วนใหญ่ จุดหลอมเหลวและจุดเยือกแข็งจะมีอุณหภูมิเท่ากัน อย่างไรก็ตาม สารบางชนิดมีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะจากของแข็งเป็นของเหลวที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่นอะการ์แสดงปรากฏการณ์ฮิสเทอรี ซิส ในจุดหลอมเหลวและจุดเยือกแข็ง โดยจะหลอมเหลวที่อุณหภูมิ85 °C (185 °F)และแข็งตัวที่อุณหภูมิ32 ถึง 40 °C (90 ถึง 104 °F ) ^{[ 3 ]}    

ของเหลวส่วนใหญ่จะแข็งตัวโดยการตกผลึก คือการเกิดของแข็งผลึกจากของเหลวที่เป็นเนื้อเดียวกัน นี่เป็นการเปลี่ยนสถานะทาง เทอร์โมไดนามิกอันดับหนึ่ง ซึ่งหมายความว่าตราบใดที่ของแข็งและของเหลวยังคงอยู่ร่วมกัน อุณหภูมิของระบบทั้งหมดจะคงที่เกือบเท่าจุดหลอมเหลวเนื่องจากการระบายความร้อนอย่างช้าๆ เมื่อสัมผัสกับอากาศซึ่งเป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดีเนื่องจากความร้อนแฝงของการหลอมเหลวการแข็งตัวจึงช้าลงอย่างมาก และอุณหภูมิจะไม่ลดลงอีกเมื่อการแข็งตัวเริ่มต้นขึ้น แต่จะลดลงต่อไปเมื่อการแข็งตัวสิ้นสุดลง

กระบวนการตกผลึกประกอบด้วยสองขั้นตอนหลัก คือการเกิดนิวเคลียสและการเจริญเติบโตของผลึก การเกิดนิวเคลียสเป็นขั้นตอนที่โมเลกุลเริ่มรวมตัวกันเป็นกลุ่มในระดับนาโนเมตรเรียงตัวในลักษณะที่กำหนดและเป็นระเบียบ ซึ่งเป็นตัวกำหนดโครงสร้างผลึกการเจริญเติบโตของผลึกคือการเจริญเติบโตของนิวเคลียสที่ประสบความสำเร็จในการเจริญเติบโตจนถึงขนาดกลุ่มที่สำคัญ

การตกผลึกของของเหลวบริสุทธิ์มักเริ่มต้นที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวเนื่องจากพลังงานกระตุ้น สูง ของการเกิดนิวเคลียสแบบเอกพันธุ์การสร้างนิวเคลียสหมายถึงการก่อตัวของส่วนต่อประสานที่ขอบเขตของเฟสใหม่ พลังงานบางส่วนถูกใช้ไปในการสร้างส่วนต่อประสานนี้ โดยขึ้นอยู่กับพลังงานพื้นผิวของแต่ละเฟส หากนิวเคลียสสมมติมีขนาดเล็กเกินไป พลังงานที่ปล่อยออกมาจากการสร้างปริมาตรของมันจะไม่เพียงพอที่จะสร้างพื้นผิว และการเกิดนิวเคลียสจะไม่เกิดขึ้น การแข็งตัวจะไม่เริ่มต้นจนกว่าอุณหภูมิจะต่ำพอที่จะให้พลังงานเพียงพอในการสร้างนิวเคลียสที่เสถียร ในกรณีที่มีความไม่เรียบของพื้นผิวของภาชนะบรรจุ สิ่งเจือปนที่เป็นของแข็งหรือก๊าซ ผลึกของแข็งที่เกิดขึ้นก่อน หรือตัวก่อนิวเคลียสอื่นๆ อาจเกิดการเกิด นิวเคลียสแบบไม่เอกพันธุ์ซึ่งพลังงานบางส่วนจะถูกปล่อยออกมาจากการทำลายส่วนต่อประสานก่อนหน้านี้บางส่วน ทำให้จุดเย็นยิ่งยวดสูงขึ้นจนใกล้เคียงหรือเท่ากับจุดหลอมเหลว จุดหลอมเหลวของน้ำที่ความดัน 1 บรรยากาศนั้นใกล้เคียงกับ0 °C (32 °F; 273 K) มาก และเมื่อมีสารก่อผลึกอยู่จุดเยือกแข็งของน้ำจะใกล้เคียงกับจุดหลอมเหลว แต่หากไม่มีสารก่อผลึก น้ำสามารถลดอุณหภูมิลงต่ำ กว่าจุดเยือกแข็งได้ ถึง−40 °C (−40 °F; 233 K)ก่อนที่จะแข็งตัว^{[ 4 ] [ 5 ]}ภายใต้ความดันสูง (2,000 บรรยากาศ ) น้ำจะลดอุณหภูมิลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็งได้ถึง−70 °C (−94 °F; 203 K)ก่อนที่จะแข็งตัว^{[ 6 ]}         

การแช่แข็งเกือบทุกครั้งเป็น กระบวนการ คายความร้อนหมายความว่าเมื่อของเหลวเปลี่ยนเป็นของแข็ง ความร้อนและความดันจะถูกปล่อยออกมา สิ่งนี้มักดูเหมือนขัดกับสามัญสำนึก เนื่องจากอุณหภูมิของวัสดุไม่ได้สูงขึ้นในระหว่างการแช่แข็ง ยกเว้นในกรณีที่ของเหลวนั้นเย็นยิ่งยวดแต่เราสามารถเข้าใจได้ว่าต้องมีการระบายความร้อนออกจากของเหลวที่กำลังแช่แข็งอย่างต่อเนื่อง มิฉะนั้นกระบวนการแช่แข็งจะหยุดลง พลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อแช่แข็งคือความร้อนแฝงและเรียกว่าเอนทาลปีของการหลอมเหลวซึ่งเท่ากับพลังงานที่จำเป็นในการหลอมของแข็งในปริมาณเท่ากัน

ฮีเลียมที่อุณหภูมิต่ำเป็นข้อยกเว้นเพียงอย่างเดียวที่ทราบกันดีสำหรับกฎทั่วไป^{[ 7 ]}ฮีเลียม-3มีเอนทาลปีของการหลอมเหลวเป็นลบที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0.3 K ฮีเลียม-4ก็มีเอนทาลปีของการหลอมเหลวเป็นลบเล็กน้อยมากที่อุณหภูมิต่ำกว่า 0.8 K ซึ่งหมายความว่าที่ความดันคงที่ที่เหมาะสม จะต้องเพิ่ม ความร้อน ให้กับสารเหล่านี้เพื่อให้แข็งตัว^{[ 8 ]}

วัสดุบางชนิด เช่นแก้วและกลีเซอรอลอาจแข็งตัวได้โดยไม่เกิดการตกผลึก วัสดุเหล่านี้เรียกว่าของแข็งอสัณฐานวัสดุอสัณฐาน รวมถึงพอลิเมอร์บางชนิด ไม่มีจุดเยือกแข็ง เนื่องจากไม่มีการเปลี่ยนแปลงสถานะอย่างฉับพลันที่อุณหภูมิใดอุณหภูมิหนึ่ง แต่จะมีการเปลี่ยนแปลง คุณสมบัติ ความยืดหยุ่นหนืด อย่างค่อยเป็นค่อยไป ในช่วงอุณหภูมิต่างๆ วัสดุเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะคือการเปลี่ยนสถานะเป็นแก้ว ซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะเป็นแก้วซึ่งอาจกำหนดได้คร่าวๆ ว่าเป็นจุด "หักงอ" ของกราฟความหนาแน่นเทียบกับอุณหภูมิของวัสดุ เนื่องจากกระบวนการกลายเป็นแก้วเป็นกระบวนการที่ไม่สมดุล จึงไม่จัดว่าเป็นการเยือกแข็ง ซึ่งต้องอาศัยสมดุลระหว่างสถานะผลึกและสถานะของเหลว

สิ่งมีชีวิตหลายชนิดสามารถทนต่ออุณหภูมิที่ต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของน้ำได้เป็นเวลานาน สิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่จะสะสมสารป้องกันความเย็นเช่นโปรตีนต้านการก่อตัวของ ผลึกน้ำแข็ง โพลีออล และกลูโคส เพื่อป้องกันความเสียหายจากน้ำแข็งที่เกิดจากผลึกน้ำแข็งที่แหลมคม โดยเฉพาะอย่างยิ่งพืชส่วนใหญ่สามารถทนต่ออุณหภูมิได้อย่างปลอดภัยที่−4 °  C ถึง−12 °  C แบคทีเรีย บางชนิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งPseudomonas syringaeผลิตโปรตีนพิเศษที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งการก่อตัวของผลึกน้ำแข็ง ซึ่งพวกมันใช้เพื่อบังคับให้เกิดการก่อตัวของน้ำแข็งบนพื้นผิวของผลไม้และพืชต่างๆ ที่อุณหภูมิประมาณ−2 °  C ^{[ 9 ]}การแช่แข็งทำให้เกิดความเสียหายในเยื่อบุผิวและทำให้สารอาหารในเนื้อเยื่อพืชที่อยู่ด้านล่างพร้อมใช้งานสำหรับแบคทีเรีย^{[ 10 ]}

Freezing is a common method of food preservation that slows both food decay and the growth of micro-organisms. Besides the effect of lower temperatures on reaction rates, freezing makes water less available for bacteria growth.^[11] Freezing is a widely used method of food preservation. Freezing generally preserves flavours, smell and nutritional content.

• สื่อที่เกี่ยวข้องกับหัวข้อ"การแช่แข็ง" ในวิกิมีเดียคอมมอนส์
• "การแช่แข็ง" . พจนานุกรม Merriam-Webster.com . Merriam-Webster. OCLC 1032680871 . 
• V เก็บถาวรเมื่อ 2015-12-10 ที่Wayback Machineใช้สารประกอบ nic ที่ทำให้แข็งตัว/แช่แข็งเก็บถาวรเมื่อ 2015-12-10 ที่Wayback Machine