審核專(zhuan) 家：孟夢

中國科學院物理研究所副研究員

魔術向來給人們(men) 帶來無限的神秘感，尤其是街頭魔術，甚至可以在沒有任何道具的情況下完成，比如讓一杯水瞬間結冰。

來源丨見水印

讓水瞬間結冰的魔術很多人都見過，大家都非常好奇魔術師是如何做到的，這裏麵究竟有什麽(me) 奧秘，今天就讓我們(men) 來一探究竟吧！

其實讓水瞬間結冰並不難，隻需要一杯過冷水即可，那所謂的過冷水又是什麽(me) 呢？

1

什麽(me) 是過冷水？

在溫度降低的凝結過程中，水中缺少起凝結核心作用的固態、液態和氣態的氣溶膠質粒，也就是缺少凝結核的時候，再或者由於(yu) 某些其他原因，在0℃以下還保持著液態的水叫過冷水。其中過冷水的溫度低於(yu) 飽和溫度（液體(ti) 和蒸氣處於(yu) 動態平衡狀態時的溫度），飽和水、濕飽和蒸汽、幹飽和蒸汽的溫度等於(yu) 飽和溫度，過熱蒸汽的溫度高於(yu) 飽和溫度。

區別於(yu) 上述概念，在工程熱力學中，當水溫低於(yu) 飽和溫度時（常壓下為(wei) 0℃）稱為(wei) 過冷水。

來源丨百度百科

‍2

過冷水不結冰？

水的冷凝和氣化的不平衡會(hui) 持續很長時間。水凝固在冰上所需要的條件是必須有凝結液且足夠純淨。隻要達到條件水就會(hui) 結晶，變成冰浮在水中，也可以在容器的壁上凝結。但是沒有這些條件的話，液體(ti) 的水不會(hui) 凍結，會(hui) 長時間停留在冰點下。這個(ge) 時候凝結核突然侵入的話，馬上就會(hui) 結冰。可由於(yu) 水中沒有凝結核、時間、溫度沒有達到要求，在0℃以下水還可以保持液體(ti) 狀態。

過冷水其實是過於(yu) 純的液體(ti) 水，凝固時沒有“結晶核”。如果稍微加少量固體(ti) 或者搖晃液體(ti) ，液體(ti) 就會(hui) 迅速凝固。

為(wei) 什麽(me) 水會(hui) 結冰？因為(wei) 水中的雜質能提供結晶。而過冷水是很不穩定的，所以過冷水搖晃的話，可以使溫度升高，這樣子過冷水就會(hui) 凍結啦！

3

零下不結冰就是過冷水？

很多人簡單了解過過冷水之後會(hui) 認為(wei) ：隻要在靜置時，到了零下不結冰就是冷卻水，但是真的是這樣嗎？

並非如此，至少純化水就是反例，而且這兩(liang) 者在零下不結冰的原因大相徑庭！

純化水的溫度在零度以下時，水分子的運動狀態是完全的水分子在周圍移動。兩(liang) 個(ge) 水分子近距離或碰撞氫鍵，隻能建立一個(ge) 氫鍵。但是很快，兩(liang) 個(ge) 水分子的動量作用於(yu) 氫鍵。在0℃或-40℃時，一個(ge) 氫鍵的能量不等於(yu) 兩(liang) 個(ge) 水分子的動能，所以水仍然是液體(ti) 。

來源丨圖蟲創意

過冷水在結晶過程中，實際需要的結晶溫度比理論上的結晶溫度低。在一定的壓力下，液體(ti) 的溫度低於(yu) 壓力下液體(ti) 的凝固點時，液體(ti) 不凝固，這種液體(ti) 處於(yu) 熱力學不穩定狀態，但是在外部各種因素的影響下，它可以快速凝固，使溫度上升。

除此之外，液體(ti) 純度也是非常重要的一環，它決(jue) 定過冷現象的明顯程度。研究顯示，高純度的水在-40℃才開始結冰。這是因為(wei) 液體(ti) 太純了沒有足夠的結晶核無法進行凝固。因此，當水一定要凍結時，需要克服核形成階段的冰水界麵的“阻力”，這是無法自發完成的。需要凝結核達到一定規模時，才會(hui) 變成冰。

4

過冷水的凝結核

過冷水的凝結核在形成階段會(hui) 有閾值。一旦穿過它，過冷水馬上就會(hui) 結冰；不能穿過閾值的話就不會(hui) 結冰；溫度正好等於(yu) 冰點的時候，因為(wei) 不能超過閾值，也不會(hui) 凍結。

當溫度低於(yu) 冰點時，局部溫度發生變動，導致局部核形成。如果結晶核形成一定的大小，剩下的就不用擔心了，它可以自動快速成長結冰。但是，如果由變動產(chan) 生的結晶核太小，沒有超過結冰的閾值，結晶核就會(hui) 自動融化，不會(hui) 形成冰。除了這些，還要明白的一點是：溫度越高，閾值越高，生成足夠的原子核並生長就越困難。

為(wei) 什麽(me) 會(hui) 出現過冷水主要是溫度越低，閾值越低，有效原子核的生成就越容易。結晶核形成後，剩下的水分子附著在核上，迅速生長，這就是過冷水突然結冰的原因。其實對於(yu) 過冷水來說，結晶核的形成依靠於(yu) 波動，所以水不均勻流時反而有利於(yu) 結晶核的生長。

那為(wei) 什麽(me) 冷水也會(hui) 瞬間結冰呢？這是因為(wei) 冰水界麵大幅減少，閾值也大幅減少。過冷水是一個(ge) 亞(ya) 穩狀態，因此搖晃杯子、插入玻璃棒就會(hui) 瞬間結冰，冰很快就會(hui) 形成！

5

過冷水的獲取

將純淨水放入冰箱的冰櫃中，在-24℃的環境中冷凍。此時，水的溫度低於(yu) 零度凝固點，但不會(hui) 結冰，得到的就是過冷水。接下來一定要輕輕地從(cong) 冰箱中取出過冷水。在這之後輕敲瓶子或者搖晃，就會(hui) 看到一瓶透明的水瞬間變成了半透明的冰塊，瓶子裏的水很快就結冰了。因為(wei) 所謂的純淨水不可能完全純淨，就是說它內(nei) 部的凝結核是很少的，如果溫度進一步降低，它就會(hui) 結冰。

當然也可以讓外界給它一個(ge) 幹擾，搖晃會(hui) 使它凍結。這源於(yu) 結晶核依靠波動，所以這是從(cong) 冰箱中取出水瓶時要非常小心的原因。此外，也可以非常小心地將過冷水裝滿一個(ge) 幹淨的杯子裏，接下來放入一小塊冰，看著水以冰為(wei) 中心迅速凝固。

來源丨網絡

如果你想在家裏做這個(ge) 實驗，你必須清楚知道冰箱的溫度和凍結時間。將沸水倒入瓶中，放入冰箱冷凍兩(liang) 到三個(ge) 小時。記住，一定要注意控製溫度和時間。如果不容易控製溫度，可以用毛巾或者保溫盒子包起來，在瓶子中間插入一個(ge) 溫度計，當溫度為(wei) 0時取出，注意不要搖晃。當你倒出水時，你會(hui) 看到它瞬間結冰哦，快去試試吧！

歡迎掃碼入群！

深圳科普將定期推出

公益、免費、優(you) 惠的活動和科普好物！