過冷却はなぜ起こるのか？

質問

水の過冷却に限定して、過冷却の起こるメカニズムを教えてください。

　また、純粋は－24℃まで凍らないと聞いた事があるのですが、教科書とかに水は0℃で凍ると定義されていますが、その凍る水の基準はどこにあるのでしょうか？

　よろしくお願いします。

回答No.2

noname#5135 · ベストアンサー

水でも金属でも“ほぼ”おんなじなので…

過冷却の理由：金属では古典的核生成理論というのがあります．#1さんのおっしゃるように，最初にできる固体結晶のつぶを「核」と呼び球状と考えます．いわゆる融点（＝凝固点．水なら0℃）は，熱力学的に，液相（水）と固相（氷）のエネルギーが等しくなる温度です．ところが水が氷になる際にかかわるエネルギーとして，水と氷の界面のエネルギー（氷の表面エネルギー）もあります．それまで存在しなかった境目ができるのにエネルギーが必要，ということです．で，つぶが微小なほど，この表面エネルギーが無視できなくなるんです．あまりに小さいつぶ（エンブリオ，芽と言う）は，氷になれない訳です．融点直下では，「ゆらぎ」でいろんな大きさのつぶが生まれ，小さいものは再溶融するイメージです．そして十分に大きいつぶが生まれたら，本格的に凍り始める．ここまでの期間が過冷却です．

純水は過冷却が大きい理由：まんまるの球（均一核生成）ではなく，壁面に球の一部が生成したような形状（不均一核生成）の方が，前述の表面エネルギーの影響は小さくなります．だから#1さんの書かれた通り，チリやホコリ，またふつうは容器の壁面を足場として凍ります．純水は，通常の水と比較した場合，ゴミがない，というよりも余計なイオンがない，ということですよね．それらのイオンを足場（核生成サイト，と言う）にして核が生成できないから，過冷却が大きくなると考えられます．

-24℃：正直，初耳です．理論上の最大過冷却はhypercoolingといって溶融エンタルピーと相間エントロピー差の比で，これ以上過冷却させると（無容器溶融・冷却法などで）熱力学的には準安定な相が核生成したりする，と記憶しています．-24℃は宇宙実験か何かの実験値でしょうか？水は凝固膨張したり，極性があったりと特殊ですから，専門家のご意見を聞きたいです．

回答No.1

humihiro2003

水が凍るには、“核”となるものが必要だと聞いたことがあります。
水道水にはどうしても、目に見えないほど小さなチリやホコリが入っていますよね。
どうやら、それらの物質に面している部分から凍り始めるようです。
その後は連鎖反応的に・・・・・

しかし、純粋ではこの“核”がありませんよね。
だから、普通の水よりも凍りにくいのだと思います。