Reddit – askscience – ¿A qué velocidad se congela el agua sobre una masa de agua a una temperatura constante? ¿Qué afecta a esta velocidad? El agua se sigue congelando a temperaturas bajo cero o siempre se alcanza un equilibrio?
Al final haré un tl;dr sobre esto.
Primero tendré que explicar un poco sobre la congelación. Básicamente hay dos procesos que juntos hacen la «congelación» y son la nucleación y el crecimiento de los cristales de hielo. Así, para congelar, una serie de moléculas deben juntarse y producir un embrión que se asemeje a un cristal de hielo en su orientación espacial, y que permanezca durante un periodo de tiempo suficiente para que se condensen sobre él moléculas de agua adicionales. Este proceso de nucleación se rige principalmente por la difusión browniana, lo que significa que se reduce a la probabilidad de cuándo y dónde se empezará a formar el hielo, y más moléculas significan más posibilidades de éxito.
En segundo lugar, el punto de congelación del agua no es exactamente 0 grados centígrados (32F), porque la congelación está ligada a la probabilidad de nucleación. A 0 grados la probabilidad de nucleación sigue siendo bastante baja, y el agua (al menos parte de ella) caerá por debajo de cero antes de que se forme el hielo. Esto también presenta un problema porque si se tomaran 5 vasos idénticos con idénticos volúmenes y temperaturas iniciales del agua y se enfriaran, probablemente se verían diferentes tiempos de congelación repartidos a través de una distribución gaussiana sobre la media.
Así que tendría que responder primero a tu segunda pregunta, que hay varias cosas que influyen en la velocidad de congelación como la temperatura ambiente, el volumen de agua, las impurezas disueltas y el viento.
Suponiendo que no hay impurezas ni viento, la velocidad de nucleación J(T) a la temperatura T sería: J(T)=ns 4(πr* )2 exp x (n1 /Vw )exp
Y algunos de esos valores tienen más operaciones dentro de ellos, así que como puedes ver es un poco complicado. Sin embargo, la propiedad interesante del agua es que el hielo flota. La mayoría de los materiales se vuelven más densos a medida que se enfrían, pero el agua es más densa a 4 grados centígrados. Esto significa que el agua a 4 grados permanecerá en las partes más bajas de la masa de agua, y es parte de la razón por la que los lagos no se congelan completamente y cómo los organismos pueden sobrevivir en estos lugares en invierno. El hielo aísla el resto del agua contra el enfriamiento, por lo que el agua se congelaría en la parte superior, y las condiciones suficientemente frías por encima verían que el hielo se espesa lentamente hacia abajo, pero dada una masa de agua lo suficientemente grande, no creo que permanezca lo suficientemente fría como para que se congele por completo.
La ecuación de nucleación es larga; el viento, las impurezas, la temperatura, el volumen de agua afectan a la tasa, el agua es más densa por encima de cero, por lo que las grandes masas de agua no se congelan por completo, aunque con el tiempo suficiente podrían hacerlo.