零下40℃不断搅拌一盆水会结冰吗?

我们知道,常压下水放置在低于零摄氏度的环境中会结冰;如果我们一直搅拌一盆水,会影响水的结冰速度,此时水是否还能完全结冰将取决于搅动的力度和环境温度。

在标准大气压下,水的冰点为零摄氏度,如果一盆水放在低于零摄氏度的环境中,水的热能会逐渐散失,然后水的内部开始形成凝结核,凝结核周围的水分子聚集到凝结核上,使得凝结核逐渐长大并扩散,最终导致整盆水都是“冰冰”的。

从水的结冰原理上我们会发现,水中形成凝结核并扩散是水结冰的关键,如果把纯水缓慢降至0℃以下,虽然整盆水的温度都低于了0℃,但是由于水中不含杂质,导致凝结核难以形成,从而得到了不稳定的过冷水,一旦有轻微震动就会形成凝结核,导致过冷水瞬间凝结。

如果我们把水放在零下40℃的环境中并搅拌,水的热能会快速散失,凝结核在水中形成,但是搅拌会影响凝结核的扩散速度,从而影响水的结冰速度,此时有两个影响因素;

1、凝结核在水中不断生长和扩散,环境温度越低,凝结核的生长速度越快;

2、搅动会破坏凝结核的生长和扩散,搅动力度(或者速度)越大,对凝结核的破坏越严重;

情况一:如果凝结核的生长速度大于搅拌对凝结核的破坏速度,那么水中的冰会越来越多,搅拌阻力会越来越大,最终完全搅拌不动,整盆水成了“冰冰”。

情况二:搅拌对凝结核的破坏速度大于生长速度,那么凝结核无法继续长大,整盆水以冰水混合物的形式存在,如果搅拌力度足够大,我们甚至看不到宏观状态下的冰。

有人可能有疑问了,水在不断地向环境散失热能,那么温度低于零度后怎么办?

温度的本质是微观粒子(这里是水分子)的热运动,我们搅拌液态水是需要消耗能量的,因为水本身存在粘滞力,搅拌过程克服粘滞力做功,这部分能量最终都会转化为水的内能,所以上面两种情况还可以理解为:

情况一:水的热量散失功率大于搅拌做功的功率,水温持续降低,最终导致整盆水结冰。

情况二:水的热量散失功率小于或等于搅拌做功的功率,水温不变或者升高,此时水温不会低于冰点太多,整盆水不会完全结冰。

比如在寒冷的冬天,室外温度低于零摄氏度,没有流动的水塘很容易在表面结冰,而流动性很强的溪水虽然是“冰冰”的,但是不会完全冻结。

其实关于水结冰的微观机制,在科学上还是一个悬而未决的问题,物理学家奥斯特瓦尔德在1897年提出相变机制。

水和硅有着类似的配位机制,硅结晶时会由四面体配位的液态,逐渐转化为四面体配位的结晶态,但是水拥有至少18种晶体结构,结晶过程非常复杂,关于水结晶的微观细节还有待研究。