在大冬天,当温度只有零下几度的时候,如果你打开室外的水龙头,水龙头便不会被冻住,若是关闭阀门,没有流动的水,水龙头就会被冻住。池塘中的水面都结冰了,可河中的水却没有,仅边缘处结冰。从这些现象可以可见,静止不动的水比流动的水更容易结冰。
那么在极低的温度下,比如零下50摄氏度的环境下,不停地搅拌一盆水,盆中的水还会结冰吗?
正常情况下,水在0摄氏度时会处于冰水混合状态,水的温度低于0摄氏度时就会完全结冰。流动的水之所以不易结冰,必然是因为在流动状态下水体的温度并没有低于0摄氏度。
外界环境温度比水温还低时,水的热量会不断散失。对于流动的水来说,它从地势较高的地方流向地势较低的地方,重力势能在此过程中会转变为水的动能,水在运动过程中,水分子之间、水与其它物体之间会发生碰撞,一部分动能会转变为水的内能,这种变化会抵消水体热量的流失,从而让流动的水在低于0摄氏度以下的环境下仍然不结冰。
要想改变一个物体的内能,有两种方法,一种就是做功,另一种就是热传递。无论是在重力作用下导致的水体流动现象,还是不停地搅拌一盆水,实际上就是在对水做功,这会改变水体的内能。内能增加,水分子的热运动剧烈程度就会增加,表现为水体温度的上升。
不停地搅拌一盆水,如果所产生的增温能够抵消水体温度的流失,两者达到平衡,那么即使在零下50摄氏度的环境下,盆中的水也不会结冰或者只会处于冰水混合状态。
搅动所需要的力度大小、快慢程度等,则与环境温度和水的冰点温度间的差值大小有关。总之,别的条件限定的情况下,盆中之水结不结冰,仅与手速有关,哈哈……
结冰时,水由液态变为固态,发生了物态变化,这一转变温度称之为冰点(或者叫凝固点)。水的冰点并不是固定的,气压能够影响冰点的数值大小,0摄氏度只是一个标准大气压下的冰点数值。水的冰点和气压的关系并不呈线性相关,具体的可以参考水的三相变化与温度压力关系图。
此外,水中的杂质,比如矿物质、细菌等,也会影响水的冰点。例如,海水就没有淡水容易结冰,因为海水中含有大量的盐分及其它杂质,它会使海水的冰点降至0度以下。
如果水太纯了,也不容易结冰。因为水中如果缺少杂质作为凝结核,水分子无法结晶,水也是不会结冰的。此时这种水体就处于过冷状态,一旦出现凝结核或发生扰动,整个水体就会瞬间结冰。实验显示,在一个标准大气压下,超级洁净的纯水在零下40摄氏度时仍不会结冰。
其实,水由气态转变为液态时,也需要凝结核的帮助。降水现象就深受此影响,如果高空中缺少灰尘,就算高空中的水汽处于过饱和状态,也难以形成小水滴或者小冰晶。
像这种比较纯的水,如果对其进行加热,还会形成过热液体,并因此发生暴沸现象。不过,自然界中没有百分百纯净的纯水,科学家在实验室中也无法制出。