在零下40℃的環(huán)境下不停攪拌一盆水，水會結(jié)冰嗎？
水有三相，當(dāng)溫度達(dá)到0攝氏度以下時會凝結(jié)成固態(tài)，這種水的相態(tài)變化，已經(jīng)深深地印刻在我們的腦海里，所以溫度已經(jīng)成為我們判斷水相態(tài)變化的主要依據(jù)。但是，我們在日常生活中，還會看到一些特殊的情況，在標(biāo)準(zhǔn)氣壓之下，流動的水即使在零下的溫度也不容易結(jié)冰，比如筆者所在的吉林省，松花江穿越吉林市區(qū)而過，市區(qū)段的河水在零下十幾度時依然奔騰不息，從河水表面蒸發(fā)的水汽，有時會在沿河的樹木上聚集凝結(jié)，形成美麗的“樹掛”。
那么，假如在零下40攝氏度的環(huán)境下，我們不停地攪拌一盆水，那么盆里的水，會不會像流動的河水一樣，在這么低的溫度下也不會結(jié)冰呢？
水結(jié)冰的機(jī)理
水在常溫常壓下呈現(xiàn)液態(tài)，構(gòu)成液態(tài)水的水分子中，既有很多單個的水分子，同時也包含由多個水分子結(jié)合而成的締合水分子，締合水分子之間的距離要比單個水分子之間的距離要大，所以在不同的溫度條件下，水分子的熱運(yùn)動水平出現(xiàn)差異，那么對締合水分子之間的氫鍵作用就會產(chǎn)生明顯影響。
溫度越高，水分子的熱動動就越快，水分子之間的氫鍵斷裂的程度就越大，水的“流動性”就會加快，當(dāng)達(dá)到100攝氏度時，就會形成氣態(tài)。當(dāng)溫度低至0攝氏度時，水中締合水分子所占的比例明顯增多，而每個締合水分子中的單個分子排列非常有序，最后水分子所凝結(jié)成的固體形態(tài)，即為締合水分子的形態(tài)。
影響水結(jié)冰的主要因素
除了最重要的溫度這一因素外，其實(shí)影響水結(jié)冰還有其它幾個至關(guān)重要的方面。第一個是氣壓，當(dāng)然在自然環(huán)境狀態(tài)下，氣壓的變化相對很小，基本可以忽略不計，但是在實(shí)驗(yàn)條件下，氣壓對水相態(tài)的變化也有著非常明顯的影響，大家可以從下面水的相態(tài)變化圖一窺究竟（之前筆者寫過幾篇這方面的文章，有興趣的可以搜索看一下）。其中，在水從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程中，總體來看，基本上呈現(xiàn)的是壓強(qiáng)越大，從液態(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)化，所需要的最低溫度會隨之提升，也就是說，壓力大有助于水的結(jié)冰。
第二是水的含鹽量。水的含鹽量，也就是我們通常所說的水中礦物質(zhì)的含量，一般情況下，水的含鹽量越高，它的冰點(diǎn)就會越低，越不容易結(jié)冰。主要原因就是，當(dāng)?shù)V物質(zhì)溶解在水中之后，會在電離作用下形成多種離子，并與水結(jié)合形成水合物離子，從而在一定程度上阻礙了締合水分子之間的氫鍵結(jié)合，所以影響了水中締合水分子的發(fā)展壯大，所以水就不容易結(jié)冰，比如海水就比淡水的冰點(diǎn)要低。
第三是水中一般要有凝結(jié)核。當(dāng)環(huán)境溫度低于0攝氏度時，水體通過熱量傳輸也使得自身溫度逐漸達(dá)到與環(huán)境溫度相同的狀態(tài)，此時含量較多的締合水分子，就會傾向于在一個或者多個凝結(jié)核周圍聚集，然后將形成規(guī)則排列的晶體結(jié)構(gòu)不斷向外延伸，這就是結(jié)冰的“發(fā)展過程”。而承擔(dān)凝結(jié)核功能的主要是水中的雜質(zhì)、細(xì)菌、微生物等，而純凈水由于缺乏必要的凝結(jié)核，所以當(dāng)環(huán)境溫度低于0攝氏度時，也不易結(jié)成冰，形成了“過冷”水，此時如果向水中加入一點(diǎn)其它物質(zhì)，或者晃動一下，“過冷”水立馬就會結(jié)成冰。
不停攪拌盆里的水，能在低溫狀態(tài)下阻止其結(jié)冰嗎？
其實(shí)，液態(tài)水處在低溫狀態(tài)下，能否結(jié)成冰，剛才前面說的3個因素至關(guān)重要，如果不對液態(tài)水施加額外的影響，那么經(jīng)過一段時間，液態(tài)水中的熱量就會與環(huán)境進(jìn)行熱交換，最終使二者的溫度趨于一致。而溫度是衡量微觀粒子運(yùn)動水平的一個宏觀標(biāo)量，當(dāng)盆里的水在熱交換過程中，溫度下降至0攝氏度以下，那么一方面水分子熱運(yùn)動變慢，另一方面締合水分子數(shù)量變多，分子規(guī)則排列趨勢加劇，自然就會結(jié)成冰晶。
那么，在有外界擾動的情況下，盆里面的水能否完全結(jié)冰，從宏觀上看就是盆里的水溫度能否低于0攝氏度，而從微觀層面上看，就是締合水分子之間氫鍵的作用力與外力擾動下分子熱運(yùn)動提升所帶來的破壞力，哪個更占優(yōu)勢。所以，用力攪拌的結(jié)果，從宏觀上看，就是外力克服水的阻力做功，將機(jī)械力轉(zhuǎn)化為水分子的內(nèi)能，從而在一定程度上提高了水的溫度。從微觀上看，外力擾動下，水分子的熱運(yùn)動速率有一定程度的提升，從而可以破壞部分締合水分子間的氫鍵作用，從而起到一定的阻礙結(jié)冰作用。
但是，問題的關(guān)鍵是，在外力的攪拌下，這種阻礙作用到底能達(dá)到什么效果？如果通過外力輸入的內(nèi)能，不能從根本上彌補(bǔ)溫度差帶來的熱量損失，到頭來液態(tài)水的整體溫度仍然會持續(xù)下降，從而不能完全阻止締合水分子在凝結(jié)核上的結(jié)晶，攪拌的困難越來越大，最終整盆水也都將全部變?yōu)楸鶋K。那么，假如攪拌的頻率非常快、強(qiáng)度非常大、波動的范圍非常廣，則是有可能完全彌補(bǔ)上液態(tài)水的熱量散失消耗，達(dá)到一種能量輸入和輸出的平衡，這時候整盆水想完全結(jié)成冰是比較困難的，但不排除有許多微小的冰晶存在。
結(jié)論
水結(jié)成冰，是水分子熱運(yùn)動下降、締合水分子大量聚集在凝結(jié)核上所引發(fā)的非晶體向晶體轉(zhuǎn)變的過程，這個過程的實(shí)現(xiàn)以及需要的時間長短，既與溫度高低有關(guān)，也與壓力、水的含鹽度、水中的凝結(jié)核多少有關(guān)，當(dāng)然也與系統(tǒng)之外的其它因素干擾有關(guān)，比如外力和其它能量的輸入。無論是攪拌也好，還是直接加熱也好，只要是輸入能量的速率，大于水體向外界環(huán)境散失能量的速率，那么水就不會結(jié)冰。