结冰得满足两个条件,一是达到临界形核尺寸的形核核心,二是要有足够的过冷度 。只要满足上述两个条件,即使是热水也能比冷水先结冰 。对两杯完全一样的水(液体),我们可以认为未加热前完全一样,而经过加热后的水由于温度高,会使得其中生成大量的硅镁酸盐等溶质粒子,而这些溶质粒子会充当结晶过程中的形核点,并且相比于冷水,这些溶质粒子尺寸会更接近临界形核尺寸,这样,形核更易进行 。而在冷水中这些形核点尺寸会小,更难达到临界形核尺寸,这也就是说形核过程会更难进行,更难结晶 。因为纯净水中几乎没有能提供形核点的溶质粒子 。
只有当冰箱内有显著温差、或牛奶含糖量不同、或糖没有溶解、或做冰淇淋的液体中含有较多淀粉等非液体成分时,“姆潘巴现象”才会出现 。这也说明溶质粒子对结冰过程是很重要的,而要使结冰得以进行还得保证足够过冷度 。
我们常说两杯水温度不同,指的是平均温度不同,并不是说水中各处温度都一样 。由平均温度计算得到的过冷度并不能代表形核局部的实际过冷度 。在凝固未开始前,水中各处温度相同,过冷度一样;但凝固一旦开始,那么这种状态就会被打破,溶液中各处温度就会不一样,过冷度也会呈现差异,过冷度大的地方就会开始优先形核并结晶;同时,由于水中各处温度不一样,水中就会形成一个各处温度梯度不同的温度场,并进而产生对流 。
热量的传输方式有三种,传导传热、对流传热与辐射换热 。对热水而言,热水的温度高,分子动能较冷水高,其能量交换会比冷水快,在传热速率上的表现即为热水的传导传热和辐射换热会比冷水强,散热更快;同时,在凝固过程中形成的对流、气泡冒出和不均匀的温度分布会使得水的对流换热速率比冷水快,使得水的表面比水底部热,形成一个热顶,而热顶的水散热会比温度均匀的快 。当热水冷却到冷水的初温时,便会形成一热顶 。因此与平均温度相同,但温度均匀的冷水相比,它的冷却速率会更快,会更易过冷,从而使得结晶更易进行 。
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