Номер 22.6, страница 160 - гдз по физике 10-11 класс задачник Гельфгат, Генденштейн

22. Изменения агрегатных состояний вещества. Жидкости, пары и твердые тела - номер 22.6, страница 160.

Условие.

22.6. Известно, что при медленном охлаждении очень чистой воды можно получить переохлажденную воду (например, при $-5 ^\circ\text{C}$). Почему же вода не замерзает при $0 ^\circ\text{C}$?

Решение. При кристаллизации жидкости кристаллическая решетка «строится» вокруг некоторых центров. Обычно такими центрами являются какие-либо твердые частицы, пузырьки газа и другие неоднородности жидкости. Если в воде таких центров кристаллизации нет, процесс кристаллизации не начинается, несмотря на переохлаждение. Такое состояние вещества очень неустойчиво: стоит подуть на переохлажденную воду, встряхнуть сосуд или бросить в него немного песка — и начнется быстрое образование льда. Замерзнет как раз такая часть воды, чтобы за счет выделяющегося при замерзании тепла температура поднялась до $0 ^\circ\text{C}$.

Решение.

Процесс кристаллизации жидкости, в данном случае замерзание воды, для своего начала требует наличия так называемых центров кристаллизации. Эти центры представляют собой микроскопические неоднородности, вокруг которых начинает формироваться кристаллическая решетка твердого вещества (льда). В обычной воде такими центрами служат мельчайшие твердые частицы (например, пылинки), пузырьки растворенного газа или другие примеси.

Если вода очень чистая и не содержит подобных центров кристаллизации, то процесс замерзания не может начаться, даже если температура опускается ниже нормальной точки замерзания ($0$ °C). Молекулы воды, хотя и замедляют свое движение, не могут самопроизвольно выстроиться в упорядоченную структуру льда без "затравки". Такое состояние жидкости, охлажденной ниже температуры кристаллизации, называется переохлажденным.

Состояние переохлажденной воды крайне неустойчиво. Любое внешнее воздействие, такое как встряхивание сосуда, добавление крошечной частицы (песчинки, кристаллика льда) или даже резкий звук, может мгновенно запустить процесс лавинообразной кристаллизации. При этом процессе выделяется теплота (удельная теплота плавления), в результате чего температура образовавшейся смеси льда и воды быстро поднимается до $0$ °C.

Ответ: В очень чистой воде отсутствуют центры кристаллизации (примеси, пузырьки газа), которые необходимы для запуска процесса образования кристаллической решетки льда. Поэтому вода может оставаться в жидком состоянии даже при температуре ниже $0$ °C, переходя в неустойчивое переохлажденное состояние.