【水在 -5°C 的冰箱里沒結冰,怎麼拿出來立馬就結冰了?】

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目前最高票提到了過冷水這個現象,但是卻沒有說是什麼原理。既然問題是什麼原理,那我就來回答一下什麼原理。

從水 ->冰,本質上來說是一種相變。相變有很多種,包括連續的二級相變(也就是 landau 相變和那個非常著名的自發性對稱破缺,以及水變成冰的一級相變。

從圖上可以看出來,這兩種相變最主要的區別就是一級相變的不對稱性。在這種不對稱性下面,自然而然的就會出現一個凸出的能壘,只有越過這個能壘才能完成相變。

就具體的來說,對於水結冰而言,這個能壘就是小塊的結晶過程。

上圖就是水結冰時候原子的自由能圖。注意橫坐標的單位是每原子的自由能,就結晶而言,剛開始結晶的過程中每個原子的自由能上升,這個過程被我們稱之為是接近過程,而過了臨屆半徑

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之後,被稱是成長階段,這個時候結晶核越大自然自由能越低,因此體系會迅速的結冰。

可以想象這是一個小球,從原點出發,我們要給他一個初始的動力,才能讓小球越過能壘然後迅速下落,下落就是結冰的過程。 如果小球沒有這個動力,那麼就不能結冰,這也就是為什麼董阿姨冰箱里的水安靜的時候不會結冰,而一旦收到擾動就會迅速的結冰,這個擾動比方說輕微的晃一下,就相當於給了這杯水一定的能量讓它能夠越過這個能壘結冰。

過冷水以及其背後所代表的玻璃態相變的研究,是二十一世紀初的時候統計物理的一個研究熱點,不只是水,很多東西都會出現類似於水一樣的過冷態。比方說冷卻中的玻璃,而這種性質也被廣泛運用於玻璃的吹製過程。這也是這個名字的由來

不要小看眼前的水,這背後所隱藏的物理都有巨大的玄機。

參考文獻:

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吳建瀾.熱力學講義

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