При какой температуре замерзает вода?

Название этого сообщения представляется подходящим вопросом для экзамена по начальной школе, но ответ гораздо сложнее, чем кажется на первый взгляд. Всех нас учили, что вода замерзает при 32 градусах Фаренгейта, 0 градусов по Цельсию, 273.15 Кельвина. Однако это не всегда так. Ученые обнаружили, что жидкая вода холодна как -40 градусов по Фаренгейту в облаках и даже охлаждает воду до -42 градусов по Фаренгейту в лаборатории.

Как низко они могли идти? Это оказывается сложной проблемой для ответа. Когда жидкая вода охлаждается ниже -42 градусов F, она слишком быстро кристаллизуется в лед для ученых, чтобы измерять температуру жидкости. Итак, Эмили Мур и Валерия Молинеро из Университета штата Юта разработали сложное компьютерное моделирование 32 768 молекул воды (меньше молекул, чем можно найти в капли), которые позволили им увидеть, что произошло с теплоемкостью, плотностью и сжимаемостью воды, поскольку она переохлаждена и определить, что произошло, когда 4000 из этих молекул застыли. Когда температура воды приближается к -55 градусов F, молекулы воды образуют тетраэдры, причем каждая молекула свободно связывается с четырьмя другими молекулами. Плотность воды уменьшается, увеличивается ее теплоемкость и увеличивается ее сжимаемость. «Изменение структуры воды контролирует скорость образования льда», - говорит Молинеро.

«Мы показываем как термодинамику воды, так и скорость кристаллизации контролируется изменением структуры жидкой воды, которая приближается к структуре льда». Ниже -55 градусов по Фаренгейту могут существовать крошечные кусочки жидкой воды, но это будет делать говорит Молинеро только в течение невероятно короткого времени.Это переохлаждение воды возможно, потому что вода нуждается в небольшом ядре или семени льда, чтобы молекулы образовывали кристаллы и в очень чистой воде «единственный способ, которым вы можете сформировать ядро, - это спонтанно изменить структуру жидкости», - говорит Молинеро. Эти ядра не будут образовываться или расти достаточно крупными, пока структура молекул жидкой воды не станет ближе к твердому льду, чего не произойдет, пока вода не станет настолько невероятно холодной.