凝固

許多液體在凝固時會結晶，形成晶体的固體。結晶的過程是一階的熱力學相變化，在液態固態共存的期間，系統的平衡溫度不變，等於凝固點。結晶主要包括二個現象：成核和晶体生长。成核是指分子開始聚集形成晶核，在奈米尺度以已定義的週期形式排列，其排列方式決定了晶体结构。晶体生长就是晶體持續的變大，最後到達晶核的臨界大小。

過冷是指液體低於熔點而沒有凝固的現象。

因為勻相核化結晶的活化能，純液體的結晶一般會在略低於熔點時開始。晶核的形成也表示形成新相和液體之間的相介面，此過程會消耗能量，能量大小依其表面能而定，假如要形成的晶核太小，形成晶核產生的能量無法形成介面，就不會開始成核的現象。一直要到溫度夠低，可以產生穩定的晶核，才會開始凝固。若容器的表面有不規則，或是有固體或氣體的雜質，已經形成的固體結晶，或是存在成核劑或是振動，就可能會有非勻相核化結晶，其中一些相介面的破壞會釋出能量，使得過冷點接近或等於熔點。

水在一大氣壓下的熔點很接近0 ℃，若在存在成核劑的情形下，其凝固點會很接近熔點，但若沒有成核劑時，水在0 ℃以下就會出現過冷的現象，一直要到−40 ℃才會形成固體[2][3]。若是在2,000大氣壓的高壓下，水在−70 ℃之前都是處於過冷的狀態[4]。

凝固過程中多半會放熱，也就是說當液體相變成固體時，會釋放壓力和能量，這部份有些違反直覺[5]，因為除了過冷液體外，液體在凝固時溫體不會上昇，但若無法持續的將能量由液體中移出，凝固過程就會停止。凝固釋放的能量為潛熱，一般稱為熔化熱，也等於等量固體在熔化時需要的能量。

低溫的氦是已知唯一凝固時不會放熱的物質[6]。氦3在0.3K以下有負的熔化熱，氦4在0.8K以下有相當輕微的負熔化熱，這表示在特定的壓力下，需要提供熱量才能使氦凝固[7]。

像玻璃或甘油等物質會在沒有結晶的情形下凝固，這稱為无定形体，无定形体也包括一些沒有凝固點的聚合物，沒有在某一特定溫度下有突然的相變化，其粘弹性的特性是在一個溫度範圍內漸漸變化。這類物質有一性質稱為玻璃转化温度，大約可以定義為物質的密度和溫度圖出現明顯斜率變化的「膝點」。因為玻璃轉化是一個非平衡的過程，在晶相和液相之間未達到平衡狀態，一般不視為凝固。

急冻，也称“速冻”，是指物体在深低温环境下快速（几个小时内）凝固的过程。急冻是对流层形成冰云的原理，因此大气科学中极其重要。[8]急冻样本中的冰晶较小，不会像普通冷冻一样破坏细胞结构，因此在食品保存和生物样本中都有使用。[9][10]

許多生物可以長期忍受攝氏零度以下低溫。大部份生物會累積如抗凍蛋白、多元醇，葡萄糖等抗凍劑以避免體內的水結凍。大部份植物其至可以生存在−4 °C至−12 °C的低溫。

像假单胞杆菌等細菌會產生特殊的蛋白質作為成核劑來，使得水果和植物表面在約−2 °C時結冰[11]，結凍會使得表皮組織受傷，使細菌可以得到中下層植物組織中的養份[12]。

冷凍也是一種常見的食物保存法，可以減緩食物腐壞的速度以及微生物生長的速度。除了低溫時化學反應速率變慢外，冷凍時也可以減少細菌生長所需要的液態水。