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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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1楼 2013-09-28 20:56:11
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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。
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心随梦舞
2楼2013-09-28 21:34:36
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whd博士

木虫 (著名写手)

【答案】应助回帖

★ ★ ★ ★ ★
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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。
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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！
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4楼2013-09-28 22:01:09
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吴刚3

铁杆木虫 (小有名气)

【答案】应助回帖

★
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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。
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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~~~~~~
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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

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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。
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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

★
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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。
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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

★
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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
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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

★
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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。
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10楼2013-09-29 15:38:40
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