Co się stanie, gdy szklanka wody trafi do zamrażarki?

Kiedy filiżankę wody umieszcza się w zamrażarce, następuje kilka zmian fizycznych i chemicznych, gdy woda ochładza się i zamarza. Oto, co się dzieje:

Chłodzenie:

Gdy filiżanka trafia do zamrażarki, zimne powietrze wewnątrz zaczyna odbierać ciepło z wody. Cząsteczki wody zwalniają swój ruch, a ich energia kinetyczna maleje. Temperatura wody zaczyna spadać.

Przechłodzenie:

W niektórych przypadkach woda może podlegać zjawisku zwanemu „przechłodzeniem”. Kiedy woda jest schładzana poniżej punktu zamarzania (0 stopni Celsjusza lub 32 stopni Fahrenheita) bez tworzenia się kryształków lodu, mówi się, że jest przechłodzona. Może się to zdarzyć, jeśli nie ma miejsc zarodkowania, takich jak cząsteczki kurzu lub zadrapania na pojemniku, w których mogą zacząć rosnąć kryształki lodu.

Nukleacja:

W końcu następuje zarodkowanie, a wokół miejsc zarodkowania w wodzie tworzą się maleńkie kryształki lodu. Początkowe kryształki lodu mogą być bardzo małe, jak mikroskopijne igły lub ziarna. Ich powstawanie uwalnia utajone ciepło topnienia, czyli energię potrzebną do rozerwania wiązań pomiędzy cząsteczkami wody w stanie ciekłym.

Wzrost kryształów:

W miarę tworzenia się większej liczby kryształków lodu, nadal rosną one w procesie zwanym „wzrostem kryształów”. Cząsteczki wody znajdujące się obok kryształków lodu są przyciągane przez ich uporządkowaną strukturę i łączą się z rosnącą siecią lodową, uwalniając więcej utajonego ciepła. Ten proces wzrostu trwa do momentu, gdy znaczna część wody zamieni się w stały lód.

Przejście fazowe:

W miarę jak coraz więcej cząsteczek wody włącza się do kryształków lodu, następuje przejście fazowe od wody w stanie ciekłym do stałego lodu. Temperatura zamarzania wody może się nieznacznie różnić w zależności od warunków środowiskowych, takich jak ciśnienie powietrza i zanieczyszczenia, ale zazwyczaj to przejście następuje w pobliżu punktu zamarzania (0 stopni Celsjusza lub 32 stopni Fahrenheita).

Rozszerzenie:

Ciekawą właściwością wody jest to, że jej gęstość zmniejsza się w miarę zamarzania. Oznacza to, że lód ma mniejszą gęstość niż woda w stanie ciekłym. Gdy woda zamienia się w lód, ulega nieznacznemu rozszerzeniu objętości, o około 9% w porównaniu ze stanem ciekłym. Jest to często przyczyną pękania rur wodociągowych lub pękania pojemników na zewnątrz podczas mrozów.

Ostateczny stan szklanki wody to mieszanina kryształków lodu i pozostałej wody w stanie ciekłym, jeśli nie cała woda zamarzła na stałe. Ilość powstałego lodu zależy od tego, jak długo woda pozostaje w zamrażarce i od ustawień temperatury.

Uwaga:Szybkość chłodzenia i specyficzne warunki panujące w zamrażarce, takie jak cyrkulacja powietrza i stabilność temperatury zamrażarki, mogą wpływać na wygląd i strukturę utworzonego lodu.