Номер 22.11, страница 162 - гдз по физике 10-11 класс задачник Гельфгат, Генденштейн

22. Изменения агрегатных состояний вещества. Жидкости, пары и твердые тела - номер 22.11, страница 162.

Условие.

22.11. Вода в стакане замерзает при $0\degree C$. Если же эту воду расчленить на маленькие капельки, то вода в них может быть переохлаждена до $-40\degree C$. Так, например, капельки воды, из которых состоят облака, обычно начинают замерзать при температуре ниже $7\degree C$. Как объяснить эти факты?

Решение. Замерзание при $0\degree C$ произойдет только при наличии достаточного количества центров кристаллизации. В мелких каплях воды отсутствуют центры кристаллизации.

Решение.

Решение

Это явление, известное как переохлаждение, объясняется ключевой ролью центров кристаллизации в процессе замерзания воды. Кристаллизация — это процесс образования упорядоченной кристаллической решетки (льда) из жидкой фазы. Для его начала необходимы микроскопические «зародыши», или центры, на которых будут расти кристаллы.

Процесс образования этих центров может идти двумя путями. Первый путь — гетерогенная нуклеация. В этом случае центрами кристаллизации выступают посторонние включения: микрочастицы пыли, бактерии, растворенные соли, а также неровности на стенках сосуда. В обычном стакане воды таких потенциальных центров всегда в избытке. Поэтому, как только температура опускается до термодинамической точки замерзания, $0\ ^{\circ}\text{C}$, на этих готовых «площадках» немедленно начинается рост кристаллов льда.

Второй путь — гомогенная нуклеация. Он происходит в идеально чистой воде, где нет посторонних примесей. Здесь зародыш кристалла должен сформироваться спонтанно из самих молекул воды, которые случайно объединяются в устойчивую структуру, подобную льду. Это энергетически невыгодный процесс, требующий преодоления определенного барьера. При температуре $0\ ^{\circ}\text{C}$ вероятность такого события крайне мала. Чтобы гомогенная нуклеация стала возможной, воду необходимо сильно переохладить. При более низкой температуре кинетическая энергия молекул снижается, что облегчает их объединение в стабильный зародыш.

Применительно к условиям задачи: вода в стакане представляет собой большой объем, в котором практически гарантированно присутствуют центры для гетерогенной нуклеации, поэтому она замерзает при $0\ ^{\circ}\text{C}$. Когда же этот объем воды разделяется на огромное количество мельчайших капель (как в облаке), большинство из них оказываются свободными от примесей. В таких чистых каплях замерзание может произойти только путем гомогенной нуклеации, для чего требуется значительное переохлаждение. Поэтому капли воды в облаках часто остаются жидкими при температурах до $-17\ ^{\circ}\text{C}$, а в лабораторных условиях чистую воду удается переохладить до $-40\ ^{\circ}\text{C}$. Ниже этой температуры гомогенная нуклеация происходит практически мгновенно.

Ответ: Вода в стакане замерзает при $0\ ^{\circ}\text{C}$, так как в ней всегда есть микроскопические примеси (центры кристаллизации), на которых начинается рост кристаллов льда. При разделении на маленькие капельки многие из них оказываются очень чистыми и не содержат таких центров. В отсутствие «затравки» для кристаллизации вода может оставаться жидкой в переохлажденном состоянии при температурах значительно ниже $0\ ^{\circ}\text{C}$ (например, до $-40\ ^{\circ}\text{C}$), пока не начнется спонтанное образование зародышей льда из самих молекул воды.