在零下40℃的环境下不停的搅拌一盆水,水会结冰吗?

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水在常温常压下呈现液态,构成液态水的水分子中,既有很多单个的水分子,同时也包含由多个水分子结合而成的缔合水分子,缔合水分子之间的距离要比单个水分子之间的距离要大,所以在不同的温度条件下,水分子的热运动水平出现差异,那么对缔合水分子之间的氢键作用就会产生明显影响。

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;

温度越高,水分子的热动动就越快,水分子之间的氢键断裂的程度就越大,水的“流动性”就会加快,当达到100摄氏度时,就会形成气态。当温度低至0摄氏度时,水中缔合水分子所占的比例明显增多,而每个缔合水分子中的单个分子排列非常有序,最后水分子所凝结成的固体形态,即为缔合水分子的形态。

因此冰的熔点最低是在2200大气压下,冰熔点达到零下16.32摄氏度。6380大气压和1个大气压下的熔点为 0℃,20670大气压下水在76℃时才结冰,称为“热冰”。

如何让水不结冰

这个问题不用站在科学角度来解释,用生活经验积累就可以让人心服口服。

这一现象的产品主要是大气环境给谁结冰,提供一个非常重要的环境,常规大气压,空气中的分子运动等等,都为这个环境创造了条件,人们熟知的蒸馏水,在绝对静止时,即使零下100度也不会结冰,这被称为过冷水,但稍有震动就会结冰。

冰和气压有关系吗?

按照物理学定义,在理想条件下(标准大气压),只要那盆水的温度低于0度,肯定会结冰。这没什么疑问。

这不同于冬天凿冰眼打渔,用搅萝子搅动水体,水面不会结冰。

要看搅拌的速度,当搅拌速度很大所产生的能量(热量)使水的温度高于零度时,就不会结冰。当搅拌所产生的热能少而使水低于零度时,即使冰很碎也是冰。

重新回归问题本身,在零下40度环境下搅拌一盆水,如果你搅拌的力量足够大,的确不会结冰的。

第二:水结冰需要一个凝结核,也就是需要一个条件,0摄氏度只是其中的一个条件,另一个非常重要的那就是需要一个介质,比如在真空环境下的水,在零摄氏度以下,任然是液态,而放在空气中,水会快速结冰。

分为几个方面:

我们日常所见到的水结冰在0摄氏度,自然环境下,条件相对来说都非常的简单,容易实现。但是冰在特殊环境下会是什么样?比如在高压环境下的熔点,冰是否有变换。

科学家发明了一种合成的新型脂质,能够使水保持液态而不结冰。这种新型脂质物质是一种合成脂肪分子,被称为脂质中间相。这种脂质自主组装成膜,这些膜聚集在一起。形成小于1纳米的微观通道,通过研究发现在低于零摄氏度,这些薄膜内的水不会结冰。

1、看搅动的速度,如果足够快,它无法结冰,

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:

顺便再插一个话题,零下40度,在大兴安岭的北极村,如果车辆野外作业,因油路堵塞(高寒的缘故)发动机媳火,用不多长时间水箱就会冻得报废。

这里有个“如果”问题。如果这个接搅拌力的动能量能够始终使水处于运动状态,那么水就不会结为冰。不要说水,就是铁,在能量足够大的前提下不断的搅拌,也会化作铁水而不会结为铁块。

第三是水中一般要有凝结核。当环境温度低于0摄氏度时,水体通过热量传输也使得自身温度逐渐达到与环境温度相同的状态,此时含量较多的缔合水分子,就会倾向于在一个或者多个凝结核周围聚集,然后将形成规则排列的晶体结构不断向外延伸,这就是结冰的“发展过程”。而承担凝结核功能的主要是水中的杂质、细菌、微生物等,而纯净水由于缺乏必要的凝结核,所以当环境温度低于0摄氏度时,也不易结成冰,形成了“过冷”水,此时如果向水中加入一点其它物质,或者晃动一下,“过冷”水立马就会结成冰。

关于这个问题,只要缺少结冰的两大条件即可实现。温度我们可以认为控制,可是空气大气压,我们在日常生活是非常难以避免的,不可能制造出来一个真空环境,让水不结冰。

其实,液态水处在低温状态下,能否结成冰,刚才前面说的3个因素至关重要,如果不对液态水施加额外的影响,那么经过一段时间,液态水中的热量就会与环境进行热交换,最终使二者的温度趋于一致。而温度是衡量微观粒子运动水平的一个宏观标量,当盆里的水在热交换过程中,温度下降至0摄氏度以下,那么一方面水分子热运动变慢,另一方面缔合水分子数量变多,分子规则排列趋势加剧,自然就会结成冰晶。

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。

影响水结冰的主要因素

以上是零下40度,如果只零下几度,一般是不会结冰的,\”流水不腐户枢不蠹\”意即流动的水不会发臭,不会冻,门轴不会生虫一个道理

这是也是困扰许多科学家的一直研究的一个重要难点和方向,在2019年瑞士科学家发现一种防止水结冰的一种方式,并且这种方式在低级环境下任然可以有效实现。

结论

所以,严格来讲,那盆水到底是水是冰,与外界环境是没有关系的,取决于水本身的温度。

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。

温度,就是微观粒子的运动快慢。你搅动的力量足够大,让微观粒子运动越来越快,当然温度会越来越高了。

那么,在有外界扰动的情况下,盆里面的水能否完全结冰,从宏观上看就是盆里的水温度能否低于0摄氏度,而从微观层面上看,就是缔合水分子之间氢键的作用力与外力扰动下分子热运动提升所带来的破坏力,哪个更占优势。所以,用力搅拌的结果,从宏观上看,就是外力克服水的阻力做功,将机械力转化为水分子的内能,从而在一定程度上提高了水的温度。从微观上看,外力扰动下,水分子的热运动速率有一定程度的提升,从而可以破坏部分缔合水分子间的氢键作用,从而起到一定的阻碍结冰作用。

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。

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。

首先我们需要明白温度到底是什么意思,简单将,温度就是微观粒子运动速度快慢的度量。粒子运动速度越快,温度就越高。运动速度越慢,温度就越低。

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;

科学家为此做了大量的特殊环境实验,得出的一个结论:冰的熔点随着压强的增大而减小。科学家发现,冰的熔点和大气压发生关系,在低于2200带气压,大约每升高130大气压,温度降低1摄氏度;而在高于2200大气压,每升高130,增加以摄氏度。

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但是,问题的关键是,在外力的搅拌下,这种阻碍作用到底能达到什么效果?如果通过外力输入的内能,不能从根本上弥补温度差带来的热量损失,到头来液态水的整体温度仍然会持续下降,从而不能完全阻止缔合水分子在凝结核上的结晶,搅拌的困难越来越大,最终整盆水也都将全部变为冰块。那么,假如搅拌的频率非常快、强度非常大、波动的范围非常广,则是有可能完全弥补上液态水的热量散失消耗,达到一种能量输入和输出的平衡,这时候整盆水想完全结成冰是比较困难的,但不排除有许多微小的冰晶存在。

关于水结冰在我们所见到的纯净水中,结冰必须满足两个重要的条件:

只不过瀑布这种“被搅动”的力量还是比较小的。当搅动的力量足够大,不要说水了,任何物体都可以成为液态,甚至等离子态。

回答这个问题,首先我们先看看一个非常直观的案例,世界三大瀑布之一的尼亚加拉瀑布,在天气寒冷的情况下冻结成冰,整个瀑布已经完全冻住了。

因此,在零下40摄氏度的情况下,要想让水不成冰,需要假如大量的物质改变水的凝点,再通过高能量的转动,让水分子活跃起来,这种能力是人力难以实现的。

科学家表示,这样的脂质的合成和纯化是最难的。在这个过程中一个吸水,一个斥水,这样的研究的环境都是非常难实现的。

水冻结成冰是非常常见的一种自然现象,尤其是在冬天,放在屋外的一盆水,只要晚上足够冷,第二天就有一层厚厚的冰层。夏天也只能在冰箱里可以见到了。

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;

除了最重要的温度这一因素外,其实影响水结冰还有其它几个至关重要的方面。第一个是气压,当然在自然环境状态下,气压的变化相对很小,基本可以忽略不计,但是在实验条件下,气压对水相态的变化也有着非常明显的影响,大家可以从下面水的相态变化图一窥究竟(之前笔者写过几篇这方面的文章,有兴趣的可以搜索看一下)。其中,在水从液态到固态的转变过程中,总体来看,基本上呈现的是压强越大,从液态到固态转化,所需要的最低温度会随之提升,也就是说,压力大有助于水的结冰。

有人可能会说:你这不是废话吗?

3、如果很慢,冰沙越来越多,越积越稠,直到搅不动,结冰为一体

问题中所说的“零下40度的环境”,只是环境温度是零下40度,并不意味着那盆水的温度是零下40度。

不停搅拌盆里的水,能在低温状态下阻止其结冰吗?

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。

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。

这是因为,一个搅拌的动能使水分子之间产生滑动带来水的运动,水在运动的过程中克服分子之间的阻力消耗搅拌的动能。这些被消耗的动能战转化为水运动的势能,势能转化克服水分子之间的阻力动能,动能的消耗产生热能抵抗环境温度。当搅拌动能足够大使得水分子之间的运动产生的热能足以抵消环境温度阻止水温降至冰点时,水就不会结冰。只有搅拌的动能足够大,足够丰富,这盆水就不会结冰。如果有一种超级搅拌能量能够使铁分子之间产生滑动,铁也会变成铁水。如果这种超级搅拌能量能够持续不间断,你铁也就不会结成铁块。道理是一样的。

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”。

瀑布这样水流不息的情况下,照常冻结成冰了,你想:在零下四十度的情况下,水盆搅动的水会是什么样呢?当然也会冻结成冰,除非你的搅动的能量比瀑布还要大?

水结冰的条件是什么

如果是一盆冷水,任你怎样搅动,恐怕用不到20分钟就会变成固态冰。而且你搅动的工具也会冻成大冰溜子。

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。

水有三相,当温度达到0摄氏度以下时会凝结成固态,这种水的相态变化,已经深深地印刻在我们的脑海里,所以温度已经成为我们判断水相态变化的主要依据。但是,我们在日常生活中,还会看到一些特殊的情况,在标准气压之下,流动的水即使在零下的温度也不容易结冰,比如笔者所在的吉林省,松花江穿越吉林市区而过,市区段的河水在零下十几度时依然奔腾不息,从河水表面蒸发的水汽,有时会在沿河的树木上聚集凝结,形成美丽的“树挂”。

俺不知道呢!

一盆开水放在室外,用不到20分钟,就会降至冰点,别说是一盆冷水了。

这种问题很容易引起某些歧义,然后进入类似“杠精”的范畴。

本人是东北人,经历过零下30多度的严寒,懂得什么叫滴水成冰。在数九寒天吐口吐沫都是钉,夸张的说,撒泡尿都能冻成冰溜子。

淡定!

水结成冰,是水分子热运动下降、缔合水分子大量聚集在凝结核上所引发的非晶体向晶体转变的过程,这个过程的实现以及需要的时间长短,既与温度高低有关,也与压力、水的含盐度、水中的凝结核多少有关,当然也与系统之外的其它因素干扰有关,比如外力和其它能量的输入。无论是搅拌也好,还是直接加热也好,只要是输入能量的速率,大于水体向外界环境散失能量的速率,那么水就不会结冰。

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?

第一:纯净水结冰必须达到凝点以下,纯净水的凝点是0摄氏度(盐水、矿泉水的凝点都不一样)。

那么,假如在零下40摄氏度的环境下,我们不停地搅拌一盆水,那么盆里的水,会不会像流动的河水一样,在这么低的温度下也不会结冰呢?

水结冰的机理

2、如果中等速度,它会形成冰沙,但仍能搅动,

首先你得知道水结不结冰跟搅动流动都没关系。只要温度到了该结冰的凝固点,必然要固化成冰。有人说北方的江河水表面才有结冰,其实那是因为河底湖底的水温比较高,还没达到冰点以下。水的物理特性比较特殊,零度到零下四度区间体积变化是冷胀热缩,其他温度区间是热胀冷缩。这就可以解释为什么湖底温度4°,湖面冰下水温温度零度,挨着水的冰也是零度。还觉得流水不能冻冰的想一想冰瀑。

第二是水的含盐量。水的含盐量,也就是我们通常所说的水中矿物质的含量,一般情况下,水的含盐量越高,它的冰点就会越低,越不容易结冰。主要原因就是,当矿物质溶解在水中之后,会在电离作用下形成多种离子,并与水结合形成水合物离子,从而在一定程度上阻碍了缔合水分子之间的氢键结合,所以影响了水中缔合水分子的发展壮大,所以水就不容易结冰,比如海水就比淡水的冰点要低。

因为搅拌本身就意味着会带动水分子的运动,只不过平时我们的搅拌对水的影响比较小。比如说一直流动的瀑布,在温度足够低的环境下也是会结冰的。流动的瀑布不相当于一直在搅动吗?

在零下40℃的环境下不停的搅拌一盆水,水会结冰吗?

道理是蓄水的河、湖、泡子都大于盆子。

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