1、热水先结冰。致冷有四种并存的机制:辐射、传导、汽化、对流。通过实验观察对结果进行比较,引起热水比冷水先结冰的原因主要是传导、汽化、对流三者相互作用的综合效果。盛有初温4摄氏度冷水的杯,结冰要很长时间,水和玻璃都是热传导不良的材料,液体内部的热量很难依靠传导而有效地传递到表面。杯子里的水由于温度下降,体积膨胀,密度变小,集结在表面。所以水在表面处最先结冰,其次是向底部和四周延伸,进而形成了一个密闭的冰壳”。内层的水与外界的空气隔绝,只能依靠传导和辐射来散热,所以冷却的速率很小,阻止或延缓了内层水温继续下降的正常进行。
2、由于水结冰时体积要膨胀,已经形成的冰壳”也对进一步结冰起着某种约束或抑制作用。盛有初温100摄氏度热水的杯,冷冻的时间相对来说要少得多,看到的现象是表面的冰层总不能连成冰盖,看不到冰壳”形成的现象,只是沿冰水的界面向液体内生长出针状的冰晶(在初温低于12摄氏度时,看不到这种现象)。随着时间的流逝,冰晶由细变粗,这是因为初温高的热水,上层水冷却后密度变大向下流动,形成了液体内部的对流,使水分子围绕着各自的结晶中心”结成冰.初温越高,这种对流越剧烈,能量的损耗也越大,正是这种对流,使上层的水不易结成冰盖.由于热传递和相变潜热,在单位时间内的内能损耗较大,冷却速率较大。当水面温度降到0℃以下并有足够的低温时,水面就开始出现冰晶.初温较高的水,生长冰晶的速度较大,这是由于冰盖未形成和对流剧烈的缘故,最后可以观察到冰盖还是形成了,冷却速率变小了一些,但由于水内部冰晶已经生长而且粗大,具有较大的表面能,冰晶的生长速率与单位表面能成正比,所以生长速度仍然要比初温低的水快得多。
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