我们都知道,水有三种形态,固态,液态和气态。而人们对温度的也是根据水的形态来定义的。

简单来讲,一个标准大气压下,冰水混合物为0度,液态水沸腾的温度为100度。

通常情况下液态水在零度以下就会成为固态冰,这就是水的相态变化,这种变化早已经深深印在我们脑海中。

不过在我们日常生活中,总会出现一些特殊情况。比如说,即使在标准大气压下,流动的水也不太容易结冰。如果你冬天去过东北三省,就有机会在零下十几度的环境下,看到市区里的河水仍然在流动,而河水里蒸发出来的水汽,会在附近的树木上凝结,成为美丽的“树挂”。

在零下40度的环境下不停地搅拌一盆水对不对(在零下40度的环境下不停地搅拌一盆水)(1)

其实,流动的水就相当于有人在不停地搅拌,让液态水一直处在运动中。

那么如果在零下40度的环境中,不停地搅拌一盆水,让那盆水就像流动的水那样,这盆水会结冰吗?

首先我们需要弄明白液态水结冰成固态的原理。

有人可能会说,只要温度低于零度,液态水不就结冰了吗?这不就是原理吗?

我们看到的只是一种宏观的表象,其实还有更本质的机理在里面。

常温下(0度以上)水是液态的,液态水分子中包含有很多单个水分子,同时也有缔合水分子。什么是缔合水分子?它是由多个水分子结合形成的,多个水分子的结合体,可以认为是大分子团。缔合水分子之间的距离通常会比单个水分子之间距离要大。

在零下40度的环境下不停地搅拌一盆水对不对(在零下40度的环境下不停地搅拌一盆水)(2)

当温度升高,水分子运动速度就会变快,意味着水分子之间的氢键断裂的可能性就会变大,水的流动性变快,更趋向于液态。而如果温度继续升高,达到100度以上,流动性有了质的变化,水就成为了气态。

在零下40度的环境下不停地搅拌一盆水对不对(在零下40度的环境下不停地搅拌一盆水)(3)

如果温度低于零度,缔合水分子的占比会明显增多,结果就是液态水凝结成固态,也就是缔合水分子形态。

事实上,影响水形态的因素除了最主要的温度,还有其他几个因素。

首先能想到的就是大气压,毕竟在用水的形态定义温度时,都有一个重要前提:一个标准大气压,这说明气压肯定对水形态有影响。

只不过在自然状态下,气压的变化不会很大,气压的影响可以忽略。

不过科学家通过实验可以让气压对水的形态有非常明显的影响。总的来说,气压越大,水从液态到固态的转换所需的温度就越高,言外之意,气压大了可以让水结冰变得更容易。

还有一点就是水的含盐量。盐属于矿物质,当这种矿物质溶解在液态水,会形成很多离子,与水结合成水合离物离子,这种粒子可以阻碍缔合水分子的氢键结合,不让缔合水分子变得更多,这样的话水就不容易结冰。所以说,水含盐量越高,就越不容易结冰成固态。

在零下40度的环境下不停地搅拌一盆水对不对(在零下40度的环境下不停地搅拌一盆水)(4)

最后一点,液态水想要变成固态冰,一般都需要有凝结核,当水温低于零度时,缔合水分子更倾向于在凝结核附近聚集,然后按照一定规则形成晶体并不太发展状态,实际上这就是液态水结冰过程。

液态水里的各种杂质,包括细菌等微生物可以起到凝结核的作用。而我们常见的纯净水相对缺乏凝结核,所以即使温度低于0度,也很难结冰。但如果向纯净水里加入一些物体,轻轻晃动一下,纯净水马上就会结冰!

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回到正题,在零下40度环境下,不停地搅拌一盆水,会结冰吗?

微观上讲,这取决于两种力量的较量,缔合水分子之间的氢键作用力,还有就是不断搅拌的力量打来的破坏力,要看这两种力量哪个更强。

在零下40度的环境下不停地搅拌一盆水对不对(在零下40度的环境下不停地搅拌一盆水)(6)

宏观上讲,仍旧是两种力量的较量,不断搅拌的力量,还有就是水的阻力。搅拌的力量实际上就是将机械力转换为水分子内能,这可以提升水的温度,抵消外界的低温环境,阻碍液态水向固态冰过渡。

所以,最大的问题就是:不断搅拌的力量到底有多大?

如果搅拌的力量非常大,速度非常快,完全可以弥补液体水的热量散失到周围环境的速度,仍旧会是液态水。不仅如此,如果搅拌力量足够大,不但仍会是液态水,甚至可能变成气态水。理论上还有可能直接把液态水搅拌成水“离子汤”!

当然只是理论上分析,现实生活中是很难做到的!

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