Nước có thể ở dạng lỏng dưới 0 độ C không?

Có, nước có thể ở thể lỏng dưới 0 độ C. Có một vài cách mà điều này có thể xảy ra.

Trước hết, pha của vật liệu (dù là khí, lỏng hay rắn) phụ thuộc rất nhiều vào cả nhiệt độ và áp suất của nó. Đối với hầu hết các chất lỏng, việc áp dụng áp suất làm tăng nhiệt độ tại đó chất lỏng đóng băng thành chất rắn. Chất rắn được hình thành khi các phân tử lỏng lẻo, uốn khúc của chất lỏng di chuyển đủ chậm và đủ gần để hình thành các liên kết ổn định ghim chúng vào đúng vị trí. Khi chúng ta tác dụng áp suất lên chất lỏng, chúng ta buộc các phân tử lại gần nhau hơn. Do đó, chúng có thể hình thành các liên kết ổn định và trở thành chất rắn ngay cả khi chúng có nhiệt độ cao hơn điểm đóng băng ở áp suất tiêu chuẩn. Nước là hơi độc đáo, mặc dù. Các phân tử nước lan ra khi chúng liên kết thành một cấu trúc tinh thể rắn. Hành động lan rộng này khiến băng trở nên nhẹ hơn so với nước ở thể lỏng, khiến băng nổi. Hành động lan rộng này của các phân tử nước trong quá trình đóng băng cũng có nghĩa là việc tạo áp suất lên nước sẽ làm giảm điểm đóng băng. Nếu bạn tác dụng đủ áp suất (làm cho các phân tử nước khó phân tán vào cấu trúc rắn), bạn có thể có nước ở thể lỏng dưới 0 độ C vài độ.

Ngay cả khi bạn không tạo áp suất, bạn vẫn có thể có nước ở dạng lỏng ở nhiệt độ dưới 0 độ bằng cách sử dụng các chất phụ gia. Các chất phụ gia như muối có thể cản trở liên kết hóa học cần thiết để tạo thành chất rắn và do đó chúng có thể làm giảm điểm đóng băng của nước. Muối bao gồm các ion natri và clo mạnh. Khi hòa tan trong nước, các phân tử nước có xu hướng dính vào các ion muối thay vì dính vào nhau và do đó chúng không bị đóng băng dễ dàng. Khi bạn thêm nhiều muối vào nước, điểm đóng băng của nó tiếp tục giảm xuống cho đến khi nước đạt đến độ bão hòa và không thể giữ thêm muối nữa. Nếu bạn thêm đủ muối, điểm đóng băng của nước có thể giảm xuống tới -21 độ C. Thực tế này có nghĩa là nước ở -21 độ C vẫn có thể ở thể lỏng nếu thêm đủ muối. Thay vì giữ cho nước lỏng không bị đóng băng, đặc tính mạnh mẽ này của muối cũng có thể được sử dụng để biến băng trở lại thành nước. Rắc muối trên vỉa hè băng giá làm giảm điểm đóng băng của băng xuống dưới nhiệt độ môi trường và băng tan chảy. Nhưng rắc muối lên lối đi băng giá sẽ không giúp ích gì nếu nhiệt độ xung quanh dưới -21 độ C. Ảnh hưởng của muối đối với điểm đóng băng của nước cũng có tác động sâu sắc đến các đại dương trên trái đất.

Ngay cả khi bạn không tạo áp suất và không thêm bất cứ thứ gì vào nước, bạn vẫn có thể có nước ở dạng lỏng ở nhiệt độ dưới 0 độ C. Để nước đóng băng thành băng, nó cần thứ gì đó đóng băng để bắt đầu quá trình. Chúng tôi gọi những điểm bắt đầu này là “trung tâm tạo mầm”. Trong hầu hết các trường hợp, một chút bụi, tạp chất hoặc thậm chí một chút rung động trong nước sẽ tạo ra các trung tâm tạo mầm cho nước đóng băng. Nhưng nếu nước của bạn rất tinh khiết và rất tĩnh lặng, thì không có gì để các phân tử nước kết tinh lại. Kết quả là, bạn có thể làm lạnh nước rất tinh khiết xuống dưới 0 độ C mà không bị đóng băng. Nước trong tình trạng này được gọi là “siêu lạnh”. Ở áp suất tiêu chuẩn, nước tinh khiết có thể được làm lạnh siêu tốc xuống khoảng -40 độ C. Nước siêu lạnh được giữ không bị đóng băng chỉ do thiếu các trung tâm tạo mầm. Do đó, một khi các trung tâm tạo mầm được cung cấp (có thể đơn giản như rung động), nước siêu lạnh sẽ nhanh chóng đóng băng. Mưa đóng băng là một ví dụ tự nhiên của nước lỏng siêu lạnh. Khi mưa đóng băng chạm vào một vật thể trên bề mặt trái đất, vật thể đó sẽ cung cấp các trung tâm tạo mầm và mưa đóng băng thành băng.