Wat gebeurt er als een kopje water in de vriezer gaat?

Wanneer een kopje water in de vriezer wordt geplaatst, vinden er verschillende fysieke en chemische veranderingen plaats terwijl het water afkoelt en bevriest. Dit is wat er gebeurt:

Koeling:

Terwijl de beker de vriezer binnengaat, begint de koude lucht binnenin warmte aan het water te onttrekken. De watermoleculen vertragen in hun beweging en hun kinetische energie neemt af. De temperatuur van het water begint te dalen.

Superkoeling:

In sommige gevallen kan water een fenomeen ondergaan dat 'onderkoeling' wordt genoemd. Wanneer water wordt afgekoeld tot onder het vriespunt (0 graden Celsius of 32 graden Fahrenheit) zonder ijskristallen te vormen, wordt er gezegd dat het onderkoeld is. Dit kan gebeuren als er geen kiemplaatsen zijn, zoals stofdeeltjes of krassen op de container, waar ijskristallen kunnen gaan groeien.

Nucleatie:

Uiteindelijk vindt kiemvorming plaats en vormen zich kleine ijskristallen rond kiemplaatsen in het water. De initiële ijskristallen kunnen erg klein zijn, zoals microscopisch kleine naalden of korrels. Bij hun vorming komt latente smeltwarmte vrij, de energie die nodig was om de bindingen tussen watermoleculen in vloeibare toestand te verbreken.

Kristalgroei:

Naarmate er meer ijskristallen worden gevormd, blijven ze groeien via een proces dat 'kristalgroei' wordt genoemd. De watermoleculen naast de ijskristallen worden aangetrokken door hun ordelijke structuur en sluiten zich aan bij het groeiende ijsrooster, waardoor meer latente warmte vrijkomt. Dit groeiproces gaat door totdat een aanzienlijk deel van het water verandert in vast ijs.

Faseovergang:

Naarmate er steeds meer watermoleculen in de ijskristallen worden opgenomen, vordert de faseovergang van vloeibaar water naar vast ijs. Het vriespunt van water kan enigszins variëren, afhankelijk van omgevingsomstandigheden zoals luchtdruk en onzuiverheden, maar deze overgang vindt doorgaans plaats rond het vriespunt (0 graden Celsius of 32 graden Fahrenheit).

Uitbreiding:

Een interessante eigenschap van water is dat de dichtheid ervan afneemt als het bevriest. Dit betekent dat ijs een lagere dichtheid heeft dan vloeibaar water. Terwijl water in ijs verandert, ondergaat het een lichte expansie in volume, een toename van ongeveer 9% vergeleken met de vloeibare toestand. Dit is vaak de reden achter gebarsten waterleidingen of gebarsten buitencontainers tijdens vorstomstandigheden.

De uiteindelijke toestand van het kopje water is een mengsel van ijskristallen en het resterende vloeibare water, als niet al het water vastgevroren is. De hoeveelheid gevormd ijs hangt af van hoe lang het water in de vriezer blijft staan ​​en van de temperatuurinstellingen.

Opmerking:De koelsnelheid en de specifieke omstandigheden in de vriezer, zoals luchtcirculatie en stabiliteit van de vriezertemperatuur, kunnen het uiterlijk en de structuur van het gevormde ijs beïnvloeden.