水倒出瞬間成了冰沙，教你在家就能做冰沙飲品的絕招

審核專家：孟夢(mèng)

中國科學(xué)院物理研究所副研究員

魔術(shù)向來給人們帶來無限的神秘感，尤其是街頭魔術(shù)，甚至可以在沒有任何道具的情況下完成，比如讓一杯水瞬間結(jié)冰。

來源丨見水印

讓水瞬間結(jié)冰的魔術(shù)很多人都見過，大家都非常好奇魔術(shù)師是如何做到的，這里面究竟有什么奧秘，今天就讓我們來一探究竟吧！

其實(shí)讓水瞬間結(jié)冰并不難，只需要一杯過冷水即可，那所謂的過冷水又是什么呢？

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什么是過冷水？

在溫度降低的凝結(jié)過程中，水中缺少起凝結(jié)核心作用的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的氣溶膠質(zhì)粒，也就是缺少凝結(jié)核的時(shí)候，再或者由于某些其他原因，在0℃以下還保持著液態(tài)的水叫過冷水。其中過冷水的溫度低于飽和溫度（液體和蒸氣處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)時(shí)的溫度），飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽的溫度等于飽和溫度，過熱蒸汽的溫度高于飽和溫度。

區(qū)別于上述概念，在工程熱力學(xué)中，當(dāng)水溫低于飽和溫度時(shí)（常壓下為0℃）稱為過冷水。

來源丨百度百科

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過冷水不結(jié)冰？

水的冷凝和氣化的不平衡會(huì)持續(xù)很長時(shí)間。水凝固在冰上所需要的條件是必須有凝結(jié)液且足夠純凈。只要達(dá)到條件水就會(huì)結(jié)晶，變成冰浮在水中，也可以在容器的壁上凝結(jié)。但是沒有這些條件的話，液體的水不會(huì)凍結(jié)，會(huì)長時(shí)間停留在冰點(diǎn)下。這個(gè)時(shí)候凝結(jié)核突然侵入的話，馬上就會(huì)結(jié)冰?？捎捎谒袥]有凝結(jié)核、時(shí)間、溫度沒有達(dá)到要求，在0℃以下水還可以保持液體狀態(tài)。

過冷水其實(shí)是過于純的液體水，凝固時(shí)沒有“結(jié)晶核”。如果稍微加少量固體或者搖晃液體，液體就會(huì)迅速凝固。

為什么水會(huì)結(jié)冰？因?yàn)樗械碾s質(zhì)能提供結(jié)晶。而過冷水是很不穩(wěn)定的，所以過冷水搖晃的話，可以使溫度升高，這樣子過冷水就會(huì)凍結(jié)啦！

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零下不結(jié)冰就是過冷水？

很多人簡(jiǎn)單了解過過冷水之后會(huì)認(rèn)為：只要在靜置時(shí)，到了零下不結(jié)冰就是冷卻水，但是真的是這樣嗎？

并非如此，至少純化水就是反例，而且這兩者在零下不結(jié)冰的原因大相徑庭！

純化水的溫度在零度以下時(shí)，水分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是完全的水分子在周圍移動(dòng)。兩個(gè)水分子近距離或碰撞氫鍵，只能建立一個(gè)氫鍵。但是很快，兩個(gè)水分子的動(dòng)量作用于氫鍵。在0℃或-40℃時(shí)，一個(gè)氫鍵的能量不等于兩個(gè)水分子的動(dòng)能，所以水仍然是液體。

過冷水在結(jié)晶過程中，實(shí)際需要的結(jié)晶溫度比理論上的結(jié)晶溫度低。在一定的壓力下，液體的溫度低于壓力下液體的凝固點(diǎn)時(shí)，液體不凝固，這種液體處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，但是在外部各種因素的影響下，它可以快速凝固，使溫度上升。

除此之外，液體純度也是非常重要的一環(huán)，它決定過冷現(xiàn)象的明顯程度。研究顯示，高純度的水在-40℃才開始結(jié)冰。這是因?yàn)橐后w太純了沒有足夠的結(jié)晶核無法進(jìn)行凝固。因此，當(dāng)水一定要凍結(jié)時(shí)，需要克服核形成階段的冰水界面的“阻力”，這是無法自發(fā)完成的。需要凝結(jié)核達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，才會(huì)變成冰。

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過冷水的凝結(jié)核

過冷水的凝結(jié)核在形成階段會(huì)有閾值。一旦穿過它，過冷水馬上就會(huì)結(jié)冰；不能穿過閾值的話就不會(huì)結(jié)冰；溫度正好等于冰點(diǎn)的時(shí)候，因?yàn)椴荒艹^閾值，也不會(huì)凍結(jié)。

當(dāng)溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，局部溫度發(fā)生變動(dòng)，導(dǎo)致局部核形成。如果結(jié)晶核形成一定的大小，剩下的就不用擔(dān)心了，它可以自動(dòng)快速成長結(jié)冰。但是，如果由變動(dòng)產(chǎn)生的結(jié)晶核太小，沒有超過結(jié)冰的閾值，結(jié)晶核就會(huì)自動(dòng)融化，不會(huì)形成冰。除了這些，還要明白的一點(diǎn)是：溫度越高，閾值越高，生成足夠的原子核并生長就越困難。

為什么會(huì)出現(xiàn)過冷水主要是溫度越低，閾值越低，有效原子核的生成就越容易。結(jié)晶核形成后，剩下的水分子附著在核上，迅速生長，這就是過冷水突然結(jié)冰的原因。其實(shí)對(duì)于過冷水來說，結(jié)晶核的形成依靠于波動(dòng)，所以水不均勻流時(shí)反而有利于結(jié)晶核的生長。

那為什么冷水也會(huì)瞬間結(jié)冰呢？這是因?yàn)楸缑娲蠓鶞p少，閾值也大幅減少。過冷水是一個(gè)亞穩(wěn)狀態(tài)，因此搖晃杯子、插入玻璃棒就會(huì)瞬間結(jié)冰，冰很快就會(huì)形成！

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過冷水的獲取

將純凈水放入冰箱的冰柜中，在-24℃的環(huán)境中冷凍。此時(shí)，水的溫度低于零度凝固點(diǎn)，但不會(huì)結(jié)冰，得到的就是過冷水。接下來一定要輕輕地從冰箱中取出過冷水。在這之后輕敲瓶子或者搖晃，就會(huì)看到一瓶透明的水瞬間變成了半透明的冰塊，瓶子里的水很快就結(jié)冰了。因?yàn)樗^的純凈水不可能完全純凈，就是說它內(nèi)部的凝結(jié)核是很少的，如果溫度進(jìn)一步降低，它就會(huì)結(jié)冰。

當(dāng)然也可以讓外界給它一個(gè)干擾，搖晃會(huì)使它凍結(jié)。這源于結(jié)晶核依靠波動(dòng)，所以這是從冰箱中取出水瓶時(shí)要非常小心的原因。此外，也可以非常小心地將過冷水裝滿一個(gè)干凈的杯子里，接下來放入一小塊冰，看著水以冰為中心迅速凝固。

來源丨網(wǎng)絡(luò)

如果你想在家里做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，你必須清楚知道冰箱的溫度和凍結(jié)時(shí)間。將沸水倒入瓶中，放入冰箱冷凍兩到三個(gè)小時(shí)。記住，一定要注意控制溫度和時(shí)間。如果不容易控制溫度，可以用毛巾或者保溫盒子包起來，在瓶子中間插入一個(gè)溫度計(jì)，當(dāng)溫度為0時(shí)取出，注意不要搖晃。當(dāng)你倒出水時(shí)，你會(huì)看到它瞬間結(jié)冰哦，快去試試吧！

來源：數(shù)字北京科學(xué)中心