我們都知道,水有三種形態,固態,液態和氣態。而人們對溫度的也是根據水的形態來定義的。
簡單來講,一個標準大氣壓下,冰水混合物為0度,液態水沸騰的溫度為100度。
通常情況下液態水在零度以下就會成為固態冰,這就是水的相態變化,這種變化早已經深深印在我們腦海中。
不過在我們日常生活中,總會出現一些特殊情況。比如說,即使在標準大氣壓下,流動的水也不太容易結冰。如果你冬天去過東北三省,就有機會在零下十幾度的環境下,看到市區里的河水仍然在流動,而河水里蒸發出來的水汽,會在附近的樹木上凝結,成為美麗的“樹掛”。
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其實,流動的水就相當于有人在不停地攪拌,讓液態水一直處在運動中。
那么如果在零下40度的環境中,不停地攪拌一盆水,讓那盆水就像流動的水那樣,這盆水會結冰嗎?
首先我們需要弄明白液態水結冰成固態的原理。
有人可能會說,只要溫度低于零度,液態水不就結冰了嗎?這不就是原理嗎?
我們看到的只是一種宏觀的表象,其實還有更本質的機理在里面。
常溫下(0度以上)水是液態的,液態水分子中包含有很多單個水分子,同時也有締合水分子。什么是締合水分子?它是由多個水分子結合形成的,多個水分子的結合體,可以認為是大分子團。締合水分子之間的距離通常會比單個水分子之間距離要大。
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當溫度升高,水分子運動速度就會變快,意味著水分子之間的氫鍵斷裂的可能性就會變大,水的流動性變快,更趨向于液態。而如果溫度繼續升高,達到100度以上,流動性有了質的變化,水就成為了氣態。
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如果溫度低于零度,締合水分子的占比會明顯增多,結果就是液態水凝結成固態,也就是締合水分子形態。
事實上,影響水形態的因素除了最主要的溫度,還有其他幾個因素。
首先能想到的就是大氣壓,畢竟在用水的形態定義溫度時,都有一個重要前提:一個標準大氣壓,這說明氣壓肯定對水形態有影響。
只不過在自然狀態下,氣壓的變化不會很大,氣壓的影響可以忽略。
不過科學家通過實驗可以讓氣壓對水的形態有非常明顯的影響。總的來說,氣壓越大,水從液態到固態的轉換所需的溫度就越高,言外之意,氣壓大了可以讓水結冰變得更容易。
還有一點就是水的含鹽量。鹽屬于礦物質,當這種礦物質溶解在液態水,會形成很多離子,與水結合成水合離物離子,這種粒子可以阻礙締合水分子的氫鍵結合,不讓締合水分子變得更多,這樣的話水就不容易結冰。所以說,水含鹽量越高,就越不容易結冰成固態。
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最后一點,液態水想要變成固態冰,一般都需要有凝結核,當水溫低于零度時,締合水分子更傾向于在凝結核附近聚集,然后按照一定規則形成晶體并不太發展狀態,實際上這就是液態水結冰過程。
液態水里的各種雜質,包括細菌等微生物可以起到凝結核的作用。而我們常見的純凈水相對缺乏凝結核,所以即使溫度低于0度,也很難結冰。但如果向純凈水里加入一些物體,輕輕晃動一下,純凈水馬上就會結冰!
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回到正題,在零下40度環境下,不停地攪拌一盆水,會結冰嗎?
微觀上講,這取決于兩種力量的較量,締合水分子之間的氫鍵作用力,還有就是不斷攪拌的力量打來的破壞力,要看這兩種力量哪個更強。
宏觀上講,仍舊是兩種力量的較量,不斷攪拌的力量,還有就是水的阻力。攪拌的力量實際上就是將機械力轉換為水分子內能,這可以提升水的溫度,抵消外界的低溫環境,阻礙液態水向固態冰過渡。
所以,最大的問題就是:不斷攪拌的力量到底有多大?
如果攪拌的力量非常大,速度非常快,完全可以彌補液體水的熱量散失到周圍環境的速度,仍舊會是液態水。不僅如此,如果攪拌力量足夠大,不但仍會是液態水,甚至可能變成氣態水。理論上還有可能直接把液態水攪拌成水“離子湯”!
當然只是理論上分析,現實生活中是很難做到的!
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