4.10. Замерзшая и переохлажденная вода

Как замерзает вода? Почему температуру воды можно опустить ниже, а иногда даже существенно ниже точки замерзания, а вода все еще будет оставаться жидкой? Такая вода называется переохлажденной.

ОТВЕТ • Для замерзания воды необходим зародыш кристаллизации. Им может быть частичка пыли, пузырек растворенного воздуха или что-то другое, на чем начнут осаждаться молекулы воды, упорядочиваясь в структуру кристалла льда. Причина в том, что рост кристаллика льда данного радиуса должен быть энергетически выгодным. Если начальный радиус кристаллика меньше некоторого критического значения, требуется затратить энергию, чтобы такой зародыш рос, а это маловероятно.

Если изначально лед образуется на зародыше кристаллизации, радиус которого больше критического значения, кристалл растет. Однако в отсутствие зародыша появление кристаллика критического радиуса требует взаимного сближения определенно ориентированных молекул. Вероятность такого случайного сближения возрастает при понижении температуры ниже точки замерзания, когда молекулы воды становятся менее подвижными и более предрасположены к образованию твердой кристаллической структуры. Поэтому воду с небольшим количеством зародышей кристаллизации можно переохладить. Очищенную воду в стерильном контейнере, прежде чем она замерзнет, можно охладить до –20°C, а в тучах незамерзшие капли воды могут существовать и при температуре до –40°C. Но даже обычная вода из-под крана, изобилующая зародышами кристаллизации, может не замерзать до тех пор, пока ее температура не станет на несколько градусов ниже точки замерзания.

Чтобы вода замерзала на поверхности раздела «вода — лед», тепло должно отводиться либо через воду, либо через уже образовавшийся слой льда. При теплоотводе через переохлажденную воду происходит дендритный рост кристаллов льда: в воду прорастают ветвящиеся и расходящиеся в разные стороны образования изо льда. Если тепло отводится благодаря теплопроводности через слой образовавшегося льда, поверхность раздела «вода — лед» остается плоской. Если где-то на поверхности замерзание произойдет быстрее и образуется ледяной выступ, в этом месте отвод тепла будет происходить медленнее, поскольку слой льда толще. Следовательно, пока не «подтянется» остальная поверхность, там, где расположен выступ, замерзание происходит медленнее. Когда вся вода замерзнет, поверхность льда окажется плоской.