不知不觉|co?跨临界直冷技术( 三 ) 不知不觉

文章图片
图源自pixabay
这个原理简单说，就是利用保温箱，让水只有表面接触冷源，这样水的结晶（即结冰）就会从上往下进行，就会将水中的杂质和气体“挤下去” ，下层的水就是用来承接这些杂质和气泡的。这个过程其实和“冰丝带”制冰过程有异曲同工之妙，不过这里结冰的方向反了而已。当然，你也可以试着去除水中的杂质，不过仅是煮沸并不能完全去除杂质，建议蒸馏试试。
至于更详细的原理就要涉及到结晶的过程，我们简单介绍一下结晶的成核和生长理论。
晶体的成核与生长
【不知不觉|co?跨临界直冷技术】我们认为，结晶并不是一蹴而就的，在物质处于液态时，分子具有较大的自由度，但分子运动中有可能会出现少许分子聚集在一起形成微小的晶粒，晶粒与液体的表面能比较低，因此后续液体中的分子运动到晶粒附近时，就倾向于与晶粒成键，按晶格对称性构建成晶体。这样，就像搭积木一样，晶粒就会越长越大，最终形成晶体。
但晶体的成核需要克服势垒，这也很好理解，如果液相可以自发成核，那物质的液相就不可能是可以稳定存在的。一般对于纯净的液相，成核的动力有三种，即恒压下的过冷度，恒温下的过饱和蒸气压以及恒温恒压下的过饱和浓度。水的结冰就是温度达到水的冰点以下，在这里就是恒压下的过冷度，换句话说，在压强不变的情况下，当温度达到液相的凝固点之下，晶体便可以克服势垒成核。当然，关于成核理论，现在也有一些最新的理论。
但当溶液中存在杂质时，会发生非均匀成核。这是因为杂质粒子与液相的分界面的界面能会降低成核的势垒。在杂质处处天然便存在一个界面，自然比液相分子自发聚集凭空创造一个界面容易。因此，杂质处更容易成核。

文章图片
冬日肥皂泡的结晶过程|图源自pixabay
我们如果正常冰冻时，成核会首先发生在杂质处，因此除非你能将水中所有杂质全部去除，否则将杂质冻在冰里无可避免，但如果我们利用保温箱只在水的表面冷冻，水表面只有一层接触冷源，在过冷度的驱使下，水在表面附近成核冰向下生长，而生长过程中杂质便不容易掺进去了，因此上层冷冻的冰块不会包含杂质。
冬奥“冰丝带”制冰也是同样的道理，不过比咱们这个高级一些。首先，冬奥用的水本身便几乎没有杂质，喷洒的过程中每次又只喷洒薄薄一层，在这一层中几乎可以认为没有杂质，因此可以成核和生长过程都不会被打扰，得到的就是完美的冰层。

文章图片
冰阔落|图源自pixabay
这样看来，我们在可乐里加的冰块，还算是“冰丝带的远房亲戚”呢。