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过冷水

过冷水

过冷水（supercooled water），是指在0℃以下仍然保持液态的水。过于纯的液体水在温度降低的凝结过程中，水中缺少起凝结核心作用的固态、液态和气态的气溶胶质粒，即缺少凝结核或其他原因的时候，在0℃以下还保持着液态的水，这种液体处于热力学不稳定状态。在工程热力学中，当水温低于饱和温度时（常压下为0摄氏度）称为过冷水。

过冷水在结晶过程中，实际需要的结晶温度比理论上的结晶温度低。在一定的压力下，液体的温度低于压力下液体的凝固点时，液体不凝固，但是在外部各种因素的影响下，它可以快速凝固，使温度上升。除此之外，液体纯度也是非常重要的一环，它决定过冷现象的明显程度。

过冷水形成过程包括晶核形成、冰晶扩展、快速冻结三个阶段。对其稳定性影响因素包括温度、纯度、容器表面光滑程度和洁净程度、冷却速率、外部扰动等。

定义

过冷（Supercooling，又译超冷冻）是指液体在温度低于其常规凝固点的情况下，仍然保持液态的特殊现象。

过于纯的液体水在温度降低的凝结过程中，水中缺少起凝结核心作用的固态、液态和气态的气溶胶质粒，即缺少凝结核或其他原因的时候，在0℃以下还保持着液态的水叫过冷水。其中过冷水的温度低于饱和温度（液体和蒸气处于动态平衡状态时的温度），饱和水、湿饱和蒸汽、干饱和蒸汽的温度等于饱和温度，过热蒸汽的温度高于饱和温度。在工程热力学中，当水温低于饱和温度时（常压下为0摄氏度）称为过冷水。

原理

过冷现象的物理根源是实际系统，不是热力学极限状态的系统，两相间的分界面不是无穷大平面，而是有限的曲面。有限曲面具有有限的能量和熵。通过考虑有限曲面的表面张力(系数)可以对过冷现象的程度即相变温度的变化，进行具体研究。过冷状态属于亚稳态。亚稳态指的是按相平衡条件，应发生相变而未发生的状态。它对于外界小的扰动保持稳定，对于大的扰动不稳定，会转变为能量更低的平衡态。水的冷凝和气化的不平衡会持续很长时间。水凝固在冰上所需要的条件是必须有凝结液且足够纯净。只要达到条件水就会结晶，变成冰浮在水中，也可以在容器的壁上凝结。但是没有这些条件的话，液体的水不会冻结，会长时间停留在冰点下。这个时候凝结核突然侵入的话，马上就会结冰。可由于水中没有凝结核、时间、温度没有达到要求，在0℃以下水还可以保持液体状态。

形成条件

过冷水在结晶过程中，实际需要的结晶温度比理论上的结晶温度低。在一定的压力下，液体的温度低于压力下液体的凝固点时，液体不凝固，这种液体处于热力学不稳定状态，但是在外部各种因素的影响下，它可以快速凝固，使温度上升。

除此之外，液体纯度也是非常重要的一环，它决定过冷现象的明显程度。研究显示，高纯度的水在-40℃才开始结冰。这是因为液体太纯了没有足够的结晶核无法进行凝固。因此，当水一定要冻结时，需要克服核形成阶段的冰水界面的“阻力”，这是无法自发完成的。需要凝结核达到一定规模时，才会变成冰。

结冰过程

过冷水其实是过于纯的液体水，凝固时没有“结晶核”。如果稍微加少量固体或者摇晃液体，液体就会迅速凝固。水结冰是因为水中的杂质能提供结晶。而过冷水是很不稳定的，所以过冷水摇晃的话，可以使温度升高，过冷水就会冻结。

类型

晶核形成：当过冷水被触发时，水分子会开始围绕一个成核点有序排列，形成固体的冰晶结构。这一步是结冰过程的开端。凝结核在形成阶段会有阈值。一旦穿过它，过冷水马上就会结冰；不能穿过阈值的话就不会结冰；温度正好等于冰点的时候，因为不能超过阈值，也不会冻结。

冰晶扩展：随着冰晶的生成，会释放出一种被称为“潜热”的能量。这种能量会稍微提高周围水的温度，使更多的水分子加入冰晶结构，从而推动结冰过程的扩展。结晶核形成后，剩下的水分子附着在核上，迅速生长，这就是过冷水突然结冰的原因。其实对于过冷水来说，结晶核的形成依靠于波动，所以水不均匀流时反而有利于结晶核的生长。

快速冻结：一旦晶核形成，整个液体中的冰晶会以极快的速度扩展开来，过冷的水瞬间完成由液态到固态的转变。这个过程常被形象地称为“瞬间结冰”。

影响因素

温度：温度越高，阈值越高，生成足够的原子核并生长就越困难。反之温度越低，阈值越低，有效原子核的生成就越容易。

纯度的影响：纯净液体更容易进入过冷状态，因为其中没有杂质可以作为晶体形成的“成核点”。

容器表面的影响：容器表面的光滑程度和洁净程度对过冷现象有显著影响。如果容器表面非常光滑且没有杂质，液体更容易保持过冷状态。相反，粗糙或不洁净的表面可能提供成核点，减少过冷的可能性。

冷却速率的影响：快速冷却（例如使用液氮冷却）有助于形成过冷液体，因为快速降温减少了液体内部形成成核点的机会。相比之下，慢速冷却可能会让液体内部逐渐形成微小的冰晶，从而提前开始结冰过程。

外部扰动：过冷液体非常脆弱，任何微小的外界扰动（例如振动、碰撞或液体接触到容器壁上的细小颗粒）都可能打破其平衡，触发液体中的冰晶迅速扩展，导致液体瞬间结冰。

临界冰核大小：有研究指出，冰核尺寸大于临界尺寸时，形成行为符合经典成核理论；而小于临界尺寸时，导致更高的成核自由能垒，抑制了冰核的促进作用。温度依赖性的临界冰核大小的变化，这个突变点出现在LΔT约等于200纳米开尔文的地方。

制作方法

实验一

【实验材料】

纯净水、瓶子、冰块、杯子、金鱼（可选）、吸嘴（可选）

【实验步骤】

1、制作：将纯净水放入冰箱的冰柜中，在-24℃的环境中冷冻。此时，水的温度低于零度凝固点，但不会结冰，得到的就是过冷水。接下来一定要轻轻地从冰箱中取出过冷水。

3、验证：让外界给它一个干扰，轻敲瓶子或者摇晃，就会看到一瓶透明的水瞬间变成了半透明的冰块，瓶子里的水很快就结冰了。这源于结晶核依靠波动，所以这是从冰箱中取出水瓶时要非常小心的原因。此外，也可以非常小心地将过冷水装满一个干净的杯子里，接下来放入一小块冰，看着水以冰为中心迅速凝固。也可以在过冷水中放置一条金鱼（尽量让金鱼处于静止状态），拿吸嘴吸取过冷水，取出时发现吸嘴头凝结成冰，水面开始结冰，金鱼游动加速了扰动，凝结迅速蔓延至整个容器，金鱼被冻住。

实验二

【实验材料】

一瓶矿泉水、一些冰块、一个玻璃水杯

【实验步骤】

实际案例

雷电冷云形成：在云层中有许多水滴在温度低于0℃时仍不冻结，这种水滴叫过冷水滴。过冷水滴是不稳定的，只要它们被轻轻地震动一下，马上就会冻结成冰粒。当过冷水滴与粒碰撞时，会立即冻结，这叫撞冻。当发生撞冻时，过冷水滴的外部立即冻成冰壳，但它内部仍暂时保持着液态，并且由于外部冻结释放的潜热传到内部，其内部液态过冷水的温度比外面的冰壳来得高。温度的差异使得冻结的过冷水滴外部带正电，内部带负电。当内部也发生冻结时，云滴就膨胀分裂，外表皮破裂成许多带正电的小冰屑，随气流飞到云的上部，带负电的冻滴核心部分则附在较重的霰粒上，使霰粒带负电并停留在云的中下部。

摇摇冰：不仅是纯水，很多饮料也能出现过冷现象。近些年流行于景区和街头的“网红摇摇冰”正是利用了过冷的原理。当饮料处于过冷状态时，轻轻摇晃就能促使液体迅速结冰，形成类似沙冰的口感，既好玩又清凉解渴。

冻雨（Freezing rain）是一种特殊的天气现象。当0℃以下的过冷雨滴降落到地面或物体表面时，会迅速冻结，形成一层光滑的冰。这种现象常导致植物、电线等物体表面覆盖“雨淞”或“冰挂”。虽然冻雨在视觉上很美，但它是一种灾害性天气。例如，2008年我国华南地区的严重雪灾中，冻雨是主要成因之一。

飞机结冰：当飞机穿过含有过冷水滴的云层时，水滴碰到机身或机翼表面会迅速结冰，形成冰层。这种现象会破坏飞机的空气动力性能，影响飞行安全。因此，航空公司会采用防冰措施，比如加热机翼或使用防冰液，以确保飞行安全。

工业领域：在工业和科学研究中，过冷现象被用来探索材料的相变过程，优化冷冻技术。例如，研究者利用过冷现象改进食品冷冻技术，或者研究金属在冷却凝固过程中的微观结构变化。