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在零下40℃的环境下不停的搅拌一盆水,水会结冰吗?

作者:太平洋在线下载发表时间:2021-10-09 04:17:14浏览:

在零下40℃的环境下不停搅拌一盆水太平洋在线,水会结冰吗?

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在零下40℃的环境下不停的搅拌一盆水,水会结冰吗?

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”。

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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?

在零下40℃的环境下不停的搅拌一盆水,水会结冰吗?

水结冰的机理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。

在零下40℃的环境下不停的搅拌一盆水,水会结冰吗?

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。

影响水结冰的主要因素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。

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。

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。

不停搅拌盆里的水,能在低温状态下阻止其结冰吗?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。

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。

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。

结论水结成冰,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。

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