题目

纯净水在室外零下5度不结冰,受振动后马上结冰,请问什么原理?

提问时间：2021-01-02

答案

动画片 海尔兄弟
里不是说过的吗?你没有看?
过冷水是有一定的生成条件的：或因为水中缺少凝结核,或其它愿因,在○℃以下还保持着液态,这样的水叫过冷水.当过冷水的条件不足时它会马上变成冰（比如天空中的飞机穿过有过冷水的云层时,云中的过冷水遇到飞机,在有凝结核时会马上结成冰,飞机机身就是凝结核,飞机就容易发生坠机事故）
原理：
一般我们会认为水的凝固点为 0℃,也就是水在 0℃以下会冻结,但实际上,水在 0℃以下仍会以过冷水的型态存在,这是因为由液态水转变成冰的过程存在有一个能量状态.我们知道液态水具有比冰还要高的熵能（enthalpy）,即结冰是一个释放能量的有利过程,但在冰晶核化的过程中,必须创造水与冰的界面,而这个界面（表面）也是一种能量,这可由表面张力的单位"焦耳每平方公尺"（单位面积的能量）看出,此界面的形成便是冰晶核化过程的能量障碍,因为当水中一个冰胚（ice embryo）初形成时,其「表面积/体积」的比值相当的大,而创造表面积的能量也远高於由水转变成冰所放出的"体积能".因此水会以过冷（supercooling）的型态存在.由於冰晶的核化速率为非常强的过冷度的函数,过冷度愈高愈不易维持液态水的存在；且过冷的液态水可能保持短时间内不结冰,但时间久了终究会冻结.
在本世纪 40及 50年代,科学家们希望知道液态水过冷度的极限,但结果不但随研究方法而异,使用同样的方法也常得到前后不一致的答案,早期的困难在於将实验用水加以纯化,去除杂质,这是因为水中杂质可作为现成的冰胚,造成在较高的温度下就以「异质成核」（heterogeneous nucleation）的方式结冰.所以为了探测液态水的最高过冷度,除去水中这些可作为冰核的杂质为必要程序,而使用「 少量样品」（small sample）则成为标准的技巧.假设固定体积的水中含有一定量的杂质,那麼一半体积的水中杂质的量便只有一半,也就是说,愈小的样品应含有愈少的杂质,也愈不容易形成异质成核.经由实验,冻结温度的确随样品体积的减少而降低,其极限约在 –40℃,即 –40℃为理论上半径约 m的液滴之「同质核化温度」,也常被用来称为水的过冷极限.
另外,和液滴样品接触的固体表面免不了含有一些杂质或结构上的缺陷可在低温下成为冰核,因此 1861年Doufour便想到将水的样品悬浮在一个比水轻及一个比水重的两种不与水互溶的油质之间,免除了样品与固体表面的接触而形成一种悬浮胶体.
当一些科学家致力於在实验室中取得最高的过冷度,另外一批则热中於使大自然中的过冷度减至最低.由於冷云过程为中纬度地区降水形成的主要机制,若大气中的冰核数量太少,则云中凝结水多为不冻的水,不易使之降至地面.
人工降水的想法,即将一些冰核引入云中,以造成异质成核作用而催化云内冰晶的形成.但不是所有的冰核都能在冰点以下的温度起作用,例如高岭土、黄土、火山灰等属於自然界的冰核要在约 –9℃方能成核,而碘化银（AgI）在 –3℃左右便可成核,为目前对冷云实施人工降水作业所常使用的一种材料.