Reddit – askscience – Hoe snel bevriest water boven een waterlichaam bij een constante temperatuur? Wat beïnvloedt deze snelheid? Blijft water bevriezen bij temperaturen onder nul of wordt er altijd een evenwicht bereikt?

Ik zal dit aan het eind tl;dr.

Eerst zal ik wat moeten uitleggen over bevriezing. Er zijn in principe twee processen die samen “bevriezen” vormen en dat zijn kernenvorming en ijskristalgroei. Om te bevriezen moet een aantal moleculen samenkomen en een embryo vormen dat qua ruimtelijke oriëntatie op een ijskristal lijkt en dat lang genoeg blijft bestaan om er extra watermoleculen op te laten condenseren. Dit proces wordt voornamelijk beheerst door Brownse diffusie, wat betekent dat het aankomt op de waarschijnlijkheid wanneer en waar zich ijs zal gaan vormen, en meer moleculen betekent meer kans op succes.

Ten tweede is het vriespunt van water niet precies 0 graden Celsius (32F), omdat bevriezing samenhangt met de waarschijnlijkheid van kernenvorming. Bij 0 graden is de kans op kernen nog steeds vrij laag, en het water (ten minste delen ervan) zal onder nul zakken voordat zich ijs vormt. Dit is ook een probleem, want als je 5 identieke glazen met identieke volumes en begintemperaturen van water zou nemen en ze zou afkoelen, zou je waarschijnlijk verschillende vriestijden zien, verdeeld over een Gaussische verdeling over het gemiddelde.

Dus moet ik eerst je tweede vraag beantwoorden, dat er verschillende dingen zijn die de vriessnelheid beïnvloeden, zoals omgevingstemperatuur, volume van het water, opgeloste onzuiverheden, en wind.

Aannemende dat er geen onzuiverheden of wind zijn, zou de vriessnelheid J(T) bij temperatuur T zijn: J(T)=ns 4(πr* )2 exp x (n1 /Vw )exp

En sommige van deze waarden hebben meer bewerkingen in zich, dus zoals je kunt zien is het een beetje ingewikkeld. De interessante eigenschap van water is echter, dat ijs blijft drijven. De meeste materialen worden dichter naarmate ze afkoelen, maar water heeft de grootste dichtheid bij 4 graden Celsius. Dit betekent dat water van 4 graden in de laagste delen van het waterlichaam blijft, en dat is een van de redenen waarom meren niet volledig bevriezen en hoe organismen op deze plaatsen in de winter kunnen overleven. Het ijs isoleert de rest van het water tegen afkoeling, dus het water zou aan de bovenkant bevroren zijn, en bij voldoende koude daarboven zou het ijs langzaam naar beneden toe verdikken, maar bij een voldoende groot waterlichaam denk ik niet dat het lang genoeg koud zou blijven om volledig te bevriezen.

TL;DR Nucleatievergelijking is lang; wind, onzuiverheden, temperatuur, volume van het water hebben allemaal invloed op de snelheid, water heeft de grootste dichtheid boven nul, dus grote waterlichamen bevriezen niet volledig, hoewel dat met genoeg tijd wel zou kunnen.