هل يمكن للماء أن يبقى سائلاً تحت درجة الصفر المئوية؟

هل يمكن للماء أن يبقى سائلاً تحت درجة الصفر المئوية؟

نعم، يمكن أن يبقى الماء سائلاً تحت الصفر درجة مئوية.

هناك عدة طرق يمكن أن يحدث بها ذلك.

بادئ ذي بدء، تعتمد مرحلة المادة (سواء كانت غازية أو سائلة أو صلبة) بقوة على درجة حرارتها وضغطها.

بالنسبة لمعظم السوائل، يؤدي الضغط إلى رفع درجة الحرارة التي يتجمد عندها السائل ليصبح صلبًا.

تتشكل المادة الصلبة عندما تتباطأ جزيئات السائل المتعرجة الفضفاضة بدرجة كافية وتقترب بدرجة كافية لتكوين روابط مستقرة تثبتها في مكانها.

عندما نضغط على سائل، فإننا نجبر الجزيئات على الاقتراب من بعضها البعض.

وبالتالي يمكن أن تشكل روابط مستقرة وتصبح صلبة حتى لو كانت درجة حرارتها أعلى من درجة التجمد عند الضغط القياسي.

ومع ذلك، فإن الماء فريد إلى حد ما.

تنتشر جزيئات الماء عندما تترابط في بنية بلورية صلبة.

يؤدي هذا الإجراء المنتشر إلى أن يكون الجليد أقل كثافة من الماء السائل، مما يتسبب في تطفو الجليد.

هذا العمل المنتشر لجزيئات الماء أثناء التجميد يعني أيضًا أن الضغط على الماء يقلل من نقطة التجمد.

إذا مارست ضغطًا كافيًا (يجعل من الصعب على جزيئات الماء الانتشار في الهيكل الصلب)، يمكن أن يكون لديك ماء سائل عدة درجات تحت الصفر مئوية.

حتى إذا لم تمارس الضغط، فلا يزال بإمكانك الحصول على الماء السائل في درجات حرارة دون الصفر باستخدام المواد المضافة.

يمكن أن تتداخل المواد المضافة مثل الملح مع الرابطة الكيميائية اللازمة لتكوين مادة صلبة، وبالتالي يمكنها خفض نقطة تجمد الماء.

يتكون الملح من أيونات الصوديوم والكلور القوية.

عندما تذوب في الماء، تميل جزيئات الماء إلى الالتصاق بأيونات الملح بدلاً من بعضها البعض، وبالتالي لا تتجمد بسهولة.

عندما تضيف المزيد من الملح إلى الماء، تستمر نقطة التجمد في الانخفاض حتى يصل الماء إلى التشبع ولا يمكنه الاحتفاظ بأي ملح آخر.

إذا أضفت كمية كافية من الملح، يمكن أن تنخفض درجة تجمد الماء إلى 21 درجة مئوية.

هذه الحقيقة تعني أن الماء عند درجة حرارة -21 درجة مئوية يمكن أن يظل سائلاً إذا تم إضافة كمية كافية من الملح.

بدلاً من منع الماء السائل من التجمد، يمكن أيضًا استخدام هذه الخاصية القوية للملح لتحويل الثلج إلى ماء.

يخفض رش الملح على الأرصفة الجليدية درجة التجمد للجليد تحت درجة الحرارة المحيطة ويذوب الجليد.

لكن رش الملح على الممرات الجليدية لن يساعد إذا كانت درجة الحرارة المحيطة أقل من -21 درجة مئوية.

تأثير الملح على نقطة تجمد الماء له أيضًا تأثيرات عميقة على محيطات الأرض.

حتى إذا لم تمارس ضغطًا ولم تضف أي شيء إلى الماء، فلا يزال بإمكانك الحصول على ماء سائل عند درجات حرارة أقل من صفر درجة مئوية.

لكي يتجمد الماء ويتحول إلى ثلج، فإنه يحتاج إلى شيء يتجمد عليه لبدء العملية.

نطلق على نقاط البداية هذه اسم "مراكز التنوي".

في معظم الحالات، يوفر القليل من الغبار أو الشوائب أو حتى الاهتزازات الصغيرة في الماء مراكز تنوي لتجميد الماء عليها.

ولكن إذا كانت مياهك نقية جدًا وساكنة جدًا، فلا يوجد شيء تتبلور فيه جزيئات الماء.

نتيجة لذلك، يمكنك تبريد المياه النقية جدًا بدرجة حرارة أقل من صفر درجة مئوية دون أن تتجمد.

تسمى المياه في هذه الحالة "فائقة التبريد".

عند الضغط القياسي، يمكن تبريد المياه النقية إلى درجة حرارة منخفضة تصل إلى 40 درجة مئوية تقريبًا.

يتم الحفاظ على المياه فائقة البرودة من التجمد فقط بسبب نقص مراكز التنوي.

لذلك، بمجرد توفير مراكز التنوي (والتي يمكن أن تكون بسيطة مثل الاهتزاز)، يتجمد الماء فائق التبريد بسرعة.

المطر المتجمد هو مثال طبيعي للمياه السائلة فائقة التبريد.

بمجرد أن يصطدم المطر المتجمد بجسم ما على سطح الأرض، يوفر هذا الجسم مراكز التنوي، ويتجمد المطر إلى الجليد.