Может ли вода оставаться жидкой при температуре ниже нуля?

Да, вода может оставаться жидкой при температуре ниже нуля градусов Цельсия. Это может произойти несколькими способами.

Прежде всего, фаза материала (будь то газ, жидкость или твердое тело) сильно зависит как от его температуры, так и от давления. Для большинства жидкостей приложение давления повышает температуру, при которой жидкость замерзает до твердого состояния.

Твердое тело образуется, когда рыхлые молекулы жидкости становятся достаточно медленными и достаточно близкими, чтобы образовать устойчивые связи, которые закрепляют их на месте. Когда мы оказываем давление на жидкость, мы заставляем молекулы сближаться. Поэтому они могут образовывать стабильные связи и становиться твердыми, даже если их температура выше точки замерзания при стандартном давлении.

Однако вода в чем-то уникальна. Молекулы воды расширяются, когда они соединяются в твердую кристаллическую структуру. Это приводит к тому, что лед становится менее плотным, чем жидкая вода, что приводит к плаванию льда по поверхности воды.

Это расширяющее действие молекул воды во время замерзания также означает, что приложение давления к воде понижает точку замерзания. Если вы приложите достаточное давление (что затрудняет распространение молекул воды в твердую структуру), вы можете получить жидкую воду на несколько градусов ниже нуля по Цельсию.

Даже если вы не применяете давление, вы все равно можете получать жидкую воду при минусовых температурах с использованием добавок. Такие добавки, как соль, могут мешать химическому связыванию, необходимому для образования твердого вещества, и, следовательно, могут снизить температуру замерзания воды.

Соль состоит из ионов натрия и хлора. При растворении в воде молекулы воды имеют тенденцию прилипать к ионам соли, а не друг к другу, и поэтому они не так быстро замерзают. По мере того, как вы добавляете больше соли в воду, ее точка замерзания продолжает падать, пока вода не достигнет насыщения и не сможет больше удерживать соль. Если вы добавите достаточно соли, точка замерзания воды может упасть до -21 градус Цельсия.

Это означает, что вода с температурой -21 градус Цельсия может оставаться жидкой, если добавить достаточно соли. Вместо того, чтобы предохранять жидкую воду от замерзания, это мощное свойство соли также можно использовать для превращения льда обратно в воду. При рассыпании соли на обледенелых тротуарах температура замерзания льда становится ниже температуры окружающей среды, и лед тает.

Но посыпать ледяные дорожки солью не поможет, если температура окружающего воздуха ниже -21 градуса Цельсия. Влияние соли на точку замерзания воды также оказывает сильное влияние на океаны Земли.

Даже если вы не применяете давление и ничего не добавляете в воду, у вас все равно может быть жидкая вода при температуре ниже нуля градусов по Цельсию. Чтобы вода замерзла до льда, ей нужны отправные точки, чтобы начать процесс.

Эти отправные точки называются «центрами зародышеобразования». В большинстве случаев небольшое количество пыли, примесей или даже небольшие колебания в воде создают центры зародышеобразования, в которых вода может замерзнуть. Но если ваша вода очень чистая и неподвижная, молекулам воды не на чем кристаллизоваться. В результате вы можете охлаждать очень чистую воду до температуры ниже нуля градусов по Цельсию, которая при этом не замерзает.

Воду в таком состоянии называют «переохлажденной». При стандартном давлении чистая вода может быть переохлаждена примерно до -40 градусов по Цельсию. Переохлажденная вода при этом не может замерзнуть только из-за отсутствия центров зародышеобразования.

Следовательно, как только создаются центры зародышеобразования (что может быть столь же простым, как вибрация), переохлажденная вода быстро замерзает.

Ледяной дождь — естественный пример переохлажденной жидкой воды. Как только ледяной дождь попадает на объект на поверхности земли, этот объект образует центры зародышеобразования, и дождь превращается в лед.