零下40℃不斷攪拌一盆水會結冰嗎?


零下40℃不斷攪拌一盆水會結冰嗎?的頭圖

零下40℃不斷攪拌一盆水會結冰嗎?

我們知道,常壓下水放置在低於零攝氏度的環境中會結冰;如果我們一直攪拌一盆水,會影響水的結冰速度,此時水是否還能完全結冰將取決於攪動的力度和環境溫度。

在標準大氣壓下,水的冰點為零攝氏度,如果一盆水放在低於零攝氏度的環境中,水的熱能會逐漸散失,然後水的內部開始形成凝結核,凝結核周圍的水分子聚集到凝結核上,使得凝結核逐漸長大並擴散,最終導致整盆水都是“冰冰”的。

從水的結冰原理上我們會發現,水中形成凝結核並擴散是水結冰的關鍵,如果把純水緩慢降至0℃以下,雖然整盆水的溫度都低於了0℃,但是由於水中不含雜質,導致凝結核難以形成,從而得到了不穩定的過冷水,一旦有輕微震動就會形成凝結核,導致過冷水瞬間凝結。

如果我們把水放在零下40℃的環境中並攪拌,水的熱能會快速散失,凝結核在水中形成,但是攪拌會影響凝結核的擴散速度,從而影響水的結冰速度,此時有兩個影響因素;

1、凝結核在水中不斷生長和擴散,環境溫度越低,凝結核的生長速度越快;

2、攪動會破壞凝結核的生長和擴散,攪動力度(或者速度)越大,對凝結核的破壞越嚴重;

情況一:如果凝結核的生長速度大於攪拌對凝結核的破壞速度,那麼水中的冰會越來越多,攪拌阻力會越來越大,最終完全攪拌不動,整盆水成了“冰冰” 。

情況二:攪拌對凝結核的破壞速度大於生長速度,那麼凝結核無法繼續長大,整盆水以冰水混合物的形式存在,如果攪拌力度足夠大,我們甚至看不到宏觀狀態下的冰。

有人可能有疑問了,水在不斷地向環境散失熱能,那麼溫度低於零度後怎麼辦?

溫度的本質是微觀粒子(這裡是水分子)的熱運動,我們攪拌液態水是需要消耗能量的,因為水本身存在粘滯力,攪拌過程克服粘滯力做功,這部分能量最終都會轉化為水的內能,所以上面兩種情況還可以理解為:

情況一:水的熱量散失功率大於攪拌做功的功率,水溫持續降低,最終導致整盆水結冰。

情況二:水的熱量散失功率小於或等於攪拌做功的功率,水溫不變或者升高,此時水溫不會低於冰點太多,整盆水不會完全結冰。

比如在寒冷的冬天,室外溫度低於零攝氏度,沒有流動的水塘很容易在表面結冰,而流動性很強的溪水雖然是“冰冰”的,但是不會完全凍結。

其實關於水結冰的微觀機制,在科學上還是一個懸而未決的問題,物理學家奧斯特瓦爾德在1897年提出相變機制。

水和矽有著類似的配位機制,矽結晶時會由四面體配位的液態,逐漸轉化為四面體配位的結晶態,但是水擁有至少18種晶體結構,結晶過程非常複雜,關於水結晶的微觀細節還有待研究。