在大冬天,當溫度隻有零下幾度的時候,如果你打開室外的水龍頭,水龍頭便不會被凍住,若是關閉閥門,沒有流動的水,水龍頭就會被凍住。池塘中的水面都結冰了,可河中的水卻沒有,僅邊緣處結冰。從這些現象可以可見,靜止不動的水比流動的水更容易結冰。
那麼在極低的溫度下,比如零下50攝氏度的環境下,不停地攪拌一盆水,盆中的水還會結冰嗎?
正常情況下,水在0攝氏度時會處于冰水混合狀态,水的溫度低于0攝氏度時就會完全結冰。流動的水之所以不易結冰,必然是因為在流動狀态下水體的溫度并沒有低于0攝氏度。
外界環境溫度比水溫還低時,水的熱量會不斷散失。對于流動的水來說,它從地勢較高的地方流向地勢較低的地方,重力勢能在此過程中會轉變為水的動能,水在運動過程中,水分子之間、水與其它物體之間會發生碰撞,一部分動能會轉變為水的内能,這種變化會抵消水體熱量的流失,從而讓流動的水在低于0攝氏度以下的環境下仍然不結冰。
要想改變一個物體的内能,有兩種方法,一種就是做功,另一種就是熱傳遞。無論是在重力作用下導緻的水體流動現象,還是不停地攪拌一盆水,實際上就是在對水做功,這會改變水體的内能。内能增加,水分子的熱運動劇烈程度就會增加,表現為水體溫度的上升。
不停地攪拌一盆水,如果所産生的增溫能夠抵消水體溫度的流失,兩者達到平衡,那麼即使在零下50攝氏度的環境下,盆中的水也不會結冰或者隻會處于冰水混合狀态。
攪動所需要的力度大小、快慢程度等,則與環境溫度和水的冰點溫度間的差值大小有關。總之,别的條件限定的情況下,盆中之水結不結冰,僅與手速有關,哈哈……
結冰時,水由液态變為固态,發生了物态變化,這一轉變溫度稱之為冰點(或者叫凝固點)。水的冰點并不是固定的,氣壓能夠影響冰點的數值大小,0攝氏度隻是一個标準大氣壓下的冰點數值。水的冰點和氣壓的關系并不呈線性相關,具體的可以參考水的三相變化與溫度壓力關系圖。
此外,水中的雜質,比如礦物質、細菌等,也會影響水的冰點。例如,海水就沒有淡水容易結冰,因為海水中含有大量的鹽分及其它雜質,它會使海水的冰點降至0度以下。
如果水太純了,也不容易結冰。因為水中如果缺少雜質作為凝結核,水分子無法結晶,水也是不會結冰的。此時這種水體就處于過冷狀态,一旦出現凝結核或發生擾動,整個水體就會瞬間結冰。實驗顯示,在一個标準大氣壓下,超級潔淨的純水在零下40攝氏度時仍不會結冰。
其實,水由氣态轉變為液态時,也需要凝結核的幫助。降水現象就深受此影響,如果高空中缺少灰塵,就算高空中的水汽處于過飽和狀态,也難以形成小水滴或者小冰晶。
像這種比較純的水,如果對其進行加熱,還會形成過熱液體,并因此發生暴沸現象。不過,自然界中沒有百分百純淨的純水,科學家在實驗室中也無法制出。
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