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為什麼熱水比冷水凝固得快

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為什麼熱水比冷水凝固得快

結冰得滿足兩個條件,一是達到臨界形核尺寸的形核核心,二是要有足夠的過冷度。只要滿足上述兩個條件,即使是熱水也能比冷水先結冰。對兩杯完全一樣的水(液體),我們可以認為未加熱前完全一樣,而經過加熱後的水由於溫度高,會使得其中生成大量的矽鎂酸鹽等溶質粒子,而這些溶質粒子會充當結晶過程中的形核點,並且相比於冷水,這些溶質粒子尺寸會更接近臨界形核尺寸,這樣,形核更易進行。而在冷水中這些形核點尺寸會小,更難達到臨界形核尺寸,這也就是說形核過程會更難進行,更難結晶。因為純淨水中幾乎沒有能提供形核點的溶質粒子。

只有當冰箱內有顯著溫差、或牛奶含糖量不同、或糖沒有溶解、或做冰淇淋的液體中含有較多澱粉等非液體成分時,“姆潘巴現象”才會出現。這也說明溶質粒子對結冰過程是很重要的,而要使結冰得以進行還得保證足夠過冷度。

我們常說兩杯水溫度不同,指的是平均溫度不同,並不是說水中各處溫度都一樣。由平均溫度計算得到的過冷度並不能代表形核區域性的實際過冷度。在凝固未開始前,水中各處溫度相同,過冷度一樣;但凝固一旦開始,那麼這種狀態就會被打破,溶液中各處溫度就會不一樣,過冷度也會呈現差異,過冷度大的地方就會開始優先形核並結晶;同時,由於水中各處溫度不一樣,水中就會形成一個各處溫度梯度不同的溫度場,並進而產生對流。

熱量的傳輸方式有三種,傳導傳熱、對流傳熱與輻射換熱。對熱水而言,熱水的溫度高,分子動能較冷水高,其能量交換會比冷水快,在傳熱速率上的表現即為熱水的傳導傳熱和輻射換熱會比冷水強,散熱更快;同時,在凝固過程中形成的對流、氣泡冒出和不均勻的溫度分佈會使得水的對流換熱速率比冷水快,使得水的表面比水底部熱,形成一個熱頂,而熱頂的水散熱會比溫度均勻的快。當熱水冷卻到冷水的初溫時,便會形成一熱頂。因此與平均溫度相同,但溫度均勻的冷水相比,它的冷卻速率會更快,會更易過冷,從而使得結晶更易進行。