Cosa succede quando una tazza d'acqua finisce nel congelatore?

Quando una tazza d'acqua viene messa nel congelatore, si verificano diversi cambiamenti fisici e chimici mentre l'acqua si raffredda e congela. Ecco cosa succede:

Raffreddamento:

Quando la tazza entra nel congelatore, l'aria fredda all'interno inizia a estrarre calore dall'acqua. Le molecole d'acqua rallentano nel loro movimento e la loro energia cinetica diminuisce. La temperatura dell'acqua inizia a scendere.

Sovraraffreddamento:

In alcuni casi l’acqua può subire un fenomeno chiamato “superraffreddamento”. Quando l'acqua viene raffreddata al di sotto del suo punto di congelamento (0 gradi Celsius o 32 gradi Fahrenheit) senza formare cristalli di ghiaccio, si dice che sia superraffreddata. Ciò può accadere se non sono presenti siti di nucleazione, come particelle di polvere o graffi sul contenitore, dove i cristalli di ghiaccio possono iniziare a crescere.

Nucleazione:

Alla fine, avviene la nucleazione e minuscoli cristalli di ghiaccio si formano attorno ai siti di nucleazione nell'acqua. I cristalli di ghiaccio iniziali possono essere molto piccoli, come aghi o granelli microscopici. La loro formazione libera calore latente di fusione, che è l'energia necessaria per rompere i legami tra le molecole d'acqua allo stato liquido.

Crescita dei cristalli:

Man mano che si formano più cristalli di ghiaccio, continuano a crescere attraverso un processo chiamato "crescita dei cristalli". Le molecole d'acqua vicine ai cristalli di ghiaccio vengono attratte dalla loro struttura ordinata e si uniscono al crescente reticolo del ghiaccio, rilasciando più calore latente. Questo processo di crescita continua fino a quando una parte significativa dell'acqua si trasforma in ghiaccio solido.

Transizione di fase:

Man mano che sempre più molecole d'acqua vengono incorporate nei cristalli di ghiaccio, la transizione di fase dall'acqua liquida al ghiaccio solido progredisce. Il punto di congelamento dell'acqua può variare leggermente in base alle condizioni ambientali come la pressione dell'aria e le impurità, ma in genere questa transizione avviene intorno al punto di congelamento (0 gradi Celsius o 32 gradi Fahrenheit).

Espansione:

Una proprietà interessante dell'acqua è che la sua densità diminuisce quando congela. Ciò significa che il ghiaccio è meno denso dell'acqua liquida. Trasformandosi in ghiaccio, l'acqua subisce una leggera espansione di volume, pari a circa il 9% in più rispetto allo stato liquido. Questa è spesso la causa della rottura dei tubi dell'acqua o della rottura dei contenitori esterni in condizioni di gelo.

Lo stato finale della tazza d'acqua è una miscela di cristalli di ghiaccio e acqua liquida rimanente, se non tutta l'acqua si è congelata. La quantità di ghiaccio che si forma dipende da quanto tempo l'acqua rimane nel congelatore e dalle impostazioni della temperatura.

Nota:la velocità di raffreddamento e le condizioni specifiche all'interno del congelatore, come la circolazione dell'aria e la stabilità della temperatura del congelatore, possono influenzare l'aspetto e la struttura del ghiaccio formato.