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hgjt800

金虫 (小有名气)

[求助] 为什么水在低于零度才开始结冰?

为什么水在低于零度才开始结冰?

如果从化学的角度,是不是就是水不纯,导致凝固点降低?
材料学就是需要一定过冷度,需要形核?

新手上路,哪位能系统的说一下?十分感谢!
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回帖置顶 ( 共有2个 )

whd博士

木虫 (著名写手)

【答案】应助回帖

★ ★ ★ ★ ★
感谢参与,应助指数 +1
hgjt800: 金币+5, ★★★很有帮助 2013-09-28 22:01:20
hgjt800: 回帖置顶 2013-09-28 22:01:54
对于一种物相转变为另一种物相,比如液固转变,或者气固转变,都需要形成初始晶核(这里只考虑固相为晶相),形成晶核的过程,在体系中需要克服一定的成核势垒,也就是需要一定的能量。当存在过冷度时候,成核位垒降低,晶核的临界尺寸减小,更容易形成新相。以纯水为例,实际上其开始结冰的温度往往低于零度,主要是由于存在一个介稳区,在这个区域中,形成的晶核不能稳定存在,或者说形成的晶核未能达到临界尺寸,这时候无法形成新相;当继续降低温度,出了介稳区,此时形成的晶核达到临界尺寸,可以稳定存在并生长,即开始明显结冰。建议看下陆佩文版《无机材料科学基础》(硅酸盐物理化学),虽然是从硅酸盐方面出发,但是对整个材料体系应该说都是通用的。有空也可以看看《物理化学》,也有一些解释。
3楼2013-09-28 21:43:39
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hgjt800

金虫 (小有名气)

hgjt800: 回帖置顶 2013-09-28 22:02:12
引用回帖:
3楼: Originally posted by whd博士 at 2013-09-28 21:43:39
对于一种物相转变为另一种物相,比如液固转变,或者气固转变,都需要形成初始晶核(这里只考虑固相为晶相),形成晶核的过程,在体系中需要克服一定的成核势垒,也就是需要一定的能量。当存在过冷度时候,成核位垒降 ...

谢谢你的回复,我是学物理化学的,对材料也是刚接触。对于你说的形核过程的驱动力应该是吉布斯自由能的降低,更进一步的话就是过冷度,你的意思就是说在理论结晶温度的驱动力不足以结晶,必须要继续降低温度来增加驱动力?如果说这是热力学方面的,那你说的晶核是否是动力学上的?求解,谢谢!
4楼2013-09-28 22:01:09
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普通回帖

王书海

金虫 (正式写手)

【答案】应助回帖


感谢参与,应助指数 +1
hgjt800: 金币+1, 有帮助 2013-09-29 21:31:24
你说的也对,但即使是纯水一不会结冰。有零度的谁也会有零度的冰,零度的水转化为零度的冰需要继续吸收能量,如过环境温度为零度,水的温度也会降低为零度,但是不会再有能量的传递,所以为水。
心随梦舞
2楼2013-09-28 21:34:36
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吴刚3

铁杆木虫 (小有名气)

【答案】应助回帖


感谢参与,应助指数 +1
hgjt800: 金币+1, 有帮助 2013-09-29 21:31:18
实际生活中,在标准压力下,零度的水转化为零度的冰,这个相变是准可逆过程。始态是水,所以终态也是水,(从动力学的角度来说,晶核形成速度较慢),因为其始态、终态的状态函数的变化量近似等于0。只有环境进一步对其做工,假如稳定在零下1度,水转化为冰过程,变成一个自发过程,且非可逆。零下1度,冰转化为水过程很难进行。
5楼2013-09-29 07:36:48
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whd博士

木虫 (著名写手)

引用回帖:
4楼: Originally posted by hgjt800 at 2013-09-28 22:01:09
谢谢你的回复,我是学物理化学的,对材料也是刚接触。对于你说的形核过程的驱动力应该是吉布斯自由能的降低,更进一步的话就是过冷度,你的意思就是说在理论结晶温度的驱动力不足以结晶,必须要继续降低温度来增加 ...

其实本身热力学和动力学是紧密相关的,最好不要单独考虑。这里的过冷度,一方面体现了热力学方面的可进行性,即温度降低,水结冰这个过程是自发进行的;另一方面,过冷度的存在又使得该过程进行有一定的驱动力,并使结冰过程有一定的相变速率。晶核的产生实际上在整个过程都有,只是是否稳定存在才是关键,而且也是动力学的一个产物,因此单纯说其是动力学上,略显片面~~~~~~
6楼2013-09-29 08:37:44
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sheva@7

木虫 (正式写手)

【答案】应助回帖

感谢参与,应助指数 +1
类推天上的水蒸气形成雨就明白了,天上没有灰尘雨是很难下下来的。
7楼2013-09-29 08:56:54
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chtaiqiang

木虫 (小有名气)

【答案】应助回帖


感谢参与,应助指数 +1
hgjt800: 金币+1, 有帮助 2013-09-29 21:31:08
反过来想一下,即是冰为什么在0度以上化成水。其最根本的原因在于,随着温度上升,水分子的具有足够的能量破坏冰的晶格,从而发生相变。反之,随着温度降低,分子的能最下降,为了形成稳定的低能量结构,从而相变成晶态的冰。
8楼2013-09-29 09:18:42
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马踏冰河

铁杆木虫 (著名写手)

【答案】应助回帖


感谢参与,应助指数 +1
hgjt800: 金币+1, 有帮助 2013-09-29 21:31:02
纯水也要在低于零度结冰  本身就有过冷为其结冰提供动力
9楼2013-09-29 10:32:37
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wl20098836

至尊木虫 (文坛精英)

【答案】应助回帖


感谢参与,应助指数 +1
hgjt800: 金币+1, 有帮助 2013-09-29 21:30:52
应该如whd博士所言,是热力学和动力学的问题,热力学说明的是趋势,而动力学说明的是反应速率的问题,就如同零度的水是力学条件,而过冷度则是水变成冰的动力学条件。
10楼2013-09-29 15:38:40
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