Reddit – askscience – Wie schnell gefriert Wasser über einem Gewässer bei einer konstanten Temperatur? Was beeinflusst diese Rate? Gefriert Wasser bei Minusgraden weiter oder wird immer ein Gleichgewicht erreicht?

Ich werde das am Ende tl;dr.

Zunächst muss ich ein wenig über das Gefrieren erklären. Es gibt im Grunde zwei Prozesse, die zusammen das „Einfrieren“ ausmachen und das sind Keimbildung und Eiskristallwachstum. Um zu gefrieren, müssen sich also eine Reihe von Molekülen zusammenfinden und einen Keim bilden, der in seiner räumlichen Ausrichtung einem Eiskristall ähnelt und der lange genug bestehen bleibt, damit weitere Wassermoleküle an ihm kondensieren können. Dieser Prozess der Keimbildung wird in erster Linie durch Brownsche Diffusion gesteuert, was bedeutet, dass es auf die Wahrscheinlichkeit ankommt, wann und wo sich Eis zu bilden beginnt, und mehr Moleküle bedeuten mehr Chancen auf Erfolg.

Zweitens liegt der Gefrierpunkt von Wasser nicht genau bei 0 Grad Celsius, weil das Gefrieren an die Wahrscheinlichkeit der Keimbildung gebunden ist. Bei 0 Grad ist die Wahrscheinlichkeit der Keimbildung noch ziemlich gering, und das Wasser (zumindest Teile davon) wird unter Null fallen, bevor sich Eis bildet. Dies stellt auch ein Problem dar, denn wenn man 5 identische Gläser mit identischen Volumina und Anfangstemperaturen des Wassers nimmt und sie abkühlt, würde man wahrscheinlich unterschiedliche Gefrierzeiten sehen, die durch eine Gaußsche Verteilung um den Mittelwert verteilt sind.

So müsste ich zuerst Ihre zweite Frage beantworten, dass es mehrere Dinge gibt, die die Gefrierrate beeinflussen, wie die Umgebungstemperatur, das Wasservolumen, gelöste Verunreinigungen und Wind.

Angenommen, es gäbe keine Verunreinigungen oder Wind, dann wäre die Keimbildungsrate J(T) bei Temperatur T: J(T)=ns 4(πr* )2 exp x (n1 /Vw )exp

Und einige dieser Werte haben mehrere Operationen in sich, so dass es, wie Sie sehen können, ein wenig kompliziert ist. Die interessante Eigenschaft von Wasser ist jedoch, dass Eis schwimmt. Die meisten Materialien werden dichter, wenn sie abkühlen, aber Wasser ist bei 4 Grad Celsius am dichtesten. Das bedeutet, dass das 4-Grad-Wasser an den tiefsten Stellen des Gewässers verbleibt. Das ist ein Teil des Grundes, warum Seen nicht vollständig zufrieren und wie Organismen an diesen Orten im Winter überleben können. Das Eis isoliert den Rest des Wassers gegen Abkühlung, so dass das Wasser an der Spitze gefroren werden würde, und ausreichend kalten Bedingungen oben würde das Eis langsam nach unten verdicken sehen, aber eine ausreichend große Menge an Wasser gegeben, ich glaube nicht, dass es lange genug kalt bleiben würde, damit es vollständig gefriert.

TL;DR Nukleation Gleichung ist lang; Wind, Verunreinigungen, Temperatur, Volumen des Wassers alle beeinflussen Rate, Wasser ist am dichtesten über Null, so dass große Körper von Wasser nicht vollständig einfrieren, obwohl mit genügend Zeit sie könnte.