冰块在多少度可以融化(冰沙怎么打出来就化了)

圈圈笔记 51

审核专家:孟梦

中国科学院物理研究所副研究员

魔术向来给人们带来无限的神秘感,尤其是街头魔术,甚至可以在没有任何道具的情况下完成,比如让一杯水瞬间结冰。

让水瞬间结冰的魔术很多人都见过,大家都非常好奇魔术师是如何做到的,这里面究竟有什么奥秘,今天就让我们来一探究竟吧!

其实让水瞬间结冰并不难,只需要一杯过冷水即可,那所谓的过冷水又是什么呢?

什么是过冷水?

在温度降低的凝结过程中,水中缺少起凝结核心作用的固态、液态和气态的气溶胶质粒,也就是缺少凝结核的时候,再或者由于某些其他原因,在0℃以下还保持着液态的水叫过冷水。其中过冷水的温度低于饱和温度(液体和蒸气处于动态平衡状态时的温度),饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽的温度等于饱和温度,过热蒸汽的温度高于饱和温度。

区别于上述概念,在工程热力学中,当水温低于饱和温度时(常压下为0℃)称为过冷水。

过冷水不结冰?

水的冷凝和气化的不平衡会持续很长时间。水凝固在冰上所需要的条件是必须有凝结液且足够纯净。只要达到条件水就会结晶,变成冰浮在水中,也可以在容器的壁上凝结。但是没有这些条件的话,液体的水不会冻结,会长时间停留在冰点下。这个时候凝结核突然侵入的话,马上就会结冰。可由于水中没有凝结核、时间、温度没有达到要求,在0℃以下水还可以保持液体状态

过冷水其实是过于纯的液体水,凝固时没有结晶核。如果稍微加少量固体或者摇晃液体,液体就会迅速凝固。

为什么水会结冰?因为水中的杂质能提供结晶。而过冷水是很不稳定的,所以过冷水摇晃的话,可以使温度升高,这样子过冷水就会冻结啦!

零下不结冰就是过冷水?

很多人简单了解过过冷水之后会认为:只要在静置时,到了零下不结冰就是冷却水,但是真的是这样吗?

并非如此,至少纯化水就是反例,而且这两者在零下不结冰的原因大相径庭!

纯化水的温度在零度以下时,水分子的运动状态是完全的水分子在周围移动。两个水分子近距离或碰撞氢键,只能建立一个氢键。但是很快,两个水分子的动量作用于氢键。在0℃或-40℃时,一个氢键的能量不等于两个水分子的动能,所以水仍然是液体。

过冷水在结晶过程中,实际需要的结晶温度比理论上的结晶温度低。在一定的压力下,液体的温度低于压力下液体的凝固点时,液体不凝固,这种液体处于热力学不稳定状态,但是在外部各种因素的影响下,它可以快速凝固,使温度上升。

除此之外,液体纯度也是非常重要的一环,它决定过冷现象的明显程度。研究显示,高纯度的水在-40℃才开始结冰。这是因为液体太纯了没有足够的结晶核无法进行凝固。因此,当水一定要冻结时,需要克服核形成阶段的冰水界面的阻力,这是无法自发完成的。需要凝结核达到一定规模时,才会变成冰。

过冷水的凝结核

过冷水的凝结核在形成阶段会有阈值。一旦穿过它,过冷水马上就会结冰;不能穿过阈值的话就不会结冰;温度正好等于冰点的时候,因为不能超过阈值,也不会冻结。

当温度低于冰点时,局部温度发生变动,导致局部核形成。如果结晶核形成一定的大小,剩下的就不用担心了,它可以自动快速成长结冰。但是,如果由变动产生的结晶核太小,没有超过结冰的阈值,结晶核就会自动融化,不会形成冰。除了这些,还要明白的一点是:温度越高,阈值越高,生成足够的原子核并生长就越困难。

为什么会出现过冷水主要是温度越低,阈值越低,有效原子核的生成就越容易。结晶核形成后,剩下的水分子附着在核上,迅速生长,这就是过冷水突然结冰的原因。其实对于过冷水来说,结晶核的形成依靠于波动,所以水不均匀流时反而有利于结晶核的生长。

那为什么冷水也会瞬间结冰呢?这是因为冰水界面大幅减少,阈值也大幅减少。过冷水是一个亚稳状态,因此摇晃杯子、插入玻璃棒就会瞬间结冰,冰很快就会形成!

过冷水的获取

将纯净水放入冰箱的冰柜中,在-24℃的环境中冷冻。此时,水的温度低于零度凝固点,但不会结冰,得到的就是过冷水。接下来一定要轻轻地从冰箱中取出过冷水。在这之后轻敲瓶子或者摇晃,就会看到一瓶透明的水瞬间变成了半透明的冰块,瓶子里的水很快就结冰了。因为所谓的纯净水不可能完全纯净,就是说它内部的凝结核是很少的,如果温度进一步降低,它就会结冰。

当然也可以让外界给它一个干扰,摇晃会使它冻结。这源于结晶核依靠波动,所以这是从冰箱中取出水瓶时要非常小心的原因。此外,也可以非常小心地将过冷水装满一个干净的杯子里,接下来放入一小块冰,看着水以冰为中心迅速凝固。

如果你想在家里做这个实验,你必须清楚知道冰箱的温度和冻结时间。将沸水倒入瓶中,放入冰箱冷冻两到三个小时。记住,一定要注意控制温度和时间。如果不容易控制温度,可以用毛巾或者保温盒子包起来,在瓶子中间插入一个温度计,当温度为0时取出,注意不要摇晃。当你倒出水时,你会看到它瞬间结冰哦,快去试试吧!

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