水を注ぐとすぐにスムージーになります。自宅でスムージードリンクを作るコツをご紹介します。

監査専門家：孟孟

中国科学院物理研究所准研究員

マジックは常に人々に無限の神秘をもたらしてきました。特にストリートマジックは、コップ一杯の水を一瞬で凍らせるなど、小道具なしでも演じることができます。

出典: 透かしを参照

水を瞬時に凍らせる魔法を見た人はたくさんいますが、マジシャンがどうやってそれをするのか、その秘密は何なのか、誰もがとても興味を持っています。今日は調べてみましょう！

実は、水を瞬時に凍らせることは難しくありません。必要なのは、コップ一杯の過冷却水だけです。では、いわゆる過冷却水とは何でしょうか?

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過冷却水とは何ですか？

温度が下がると凝縮する過程で、水中に凝縮核となる固体、液体、気体のエアロゾル粒子が不足する、つまり凝縮核が不足する、あるいはその他の理由により、0℃以下でも液体のままとなる水を過冷却水といいます。過冷却水の温度は飽和温度（液体と蒸気が動的平衡にあるときの温度）より低く、飽和水、湿り飽和蒸気、乾き飽和蒸気の温度は飽和温度に等しく、過熱蒸気の温度は飽和温度より高くなります。

上記概念とは異なり、工学熱力学では、水温が飽和温度（常圧で0℃）よりも低い場合、過冷却水と呼ばれます。

出典: 百度百科事典

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過冷却水は凍らない？

水分の凝縮と蒸発の不均衡は長期間続く可能性があります。水が凍って氷になるために必要な条件は、凝縮する液体が存在し、それが十分に純粋であることです。条件が満たされていれば、水は結晶化して氷となって水中に浮かんだり、容器の壁に結露したりします。しかし、これらの条件がなければ、液体の水は凍結せず、長い間、氷点下のままになります。このときに凝結核が突如侵入すると、すぐに凍結してしまいます。しかし、水中に凝縮核がなく、時間と温度が要件を満たしていないため、水は0℃以下でも液体のままになることがあります。

過冷却水は、実際には液体の水ですが、純度が高すぎて、凝固したときに「結晶核」が存在しません。少量でも固形物を加えたり、液体を振ったりするとすぐに固まってしまいます。

水はなぜ凍るのでしょうか？水中の不純物が結晶化を引き起こす可能性があるからです。過冷却水は非常に不安定なので、過冷却水を振ると温度が上昇し、過冷却水が凍ってしまいます。

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氷点下でも凍らない水は過冷却しているということですか？

超冷水について簡単に理解すると、多くの人は、氷点下で放置しても凍らない限りは冷却水であると考えるでしょう。しかし、これは本当にそうなのでしょうか?

これは事実ではありません。少なくとも精製水は反例であり、2 つが氷点下の温度で凍結しない理由はまったく異なります。

精製水の温度が零下の場合、水分子の運動状態は水分子が完全に動き回っている状態になります。 2 つの水分子は、互いに接近したり衝突したりした場合にのみ、1 つの水素結合を形成できます。しかしすぐに、2 つの水分子の運動量が水素結合に作用します。 0℃または-40℃では、1つの水素結合のエネルギーは2つの水分子の運動エネルギーに等しくないため、水は依然として液体です。

過冷却水の結晶化プロセス中、必要な実際の結晶化温度は理論上の結晶化温度よりも低くなります。ある圧力下で、液体の温度が圧力下の液体の凝固点よりも低い場合、液体は凝固せず、熱力学的に不安定な状態になります。しかし、さまざまな外部要因の影響を受けて急速に固化し、温度が上昇する可能性があります。

さらに、液体の純度も非常に重要な要素であり、過冷却の程度を決定します。研究によれば、高純度の水は-40℃で凍り始めるそうです。これは、液体が純粋すぎて、固化するのに十分な結晶核がないためです。したがって、水が凍るには、核形成段階で氷と水の界面の「抵抗」を克服する必要があり、これは自発的には起こりません。凝結核は氷に変わる前に一定の大きさに達する必要があります。

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過冷却水の凝縮核

過冷却水の凝縮核は、形成段階で閾値を持ちます。そこを通過すると、過冷却水はすぐに凍結します。閾値を通過できない場合は凍結しません。温度が凝固点と正確に等しい場合、閾値を超えることはできないため、凍結しません。

温度が氷点下になると、局所的な温度変化が発生し、局所的な核生成が起こります。結晶核が一定の大きさを形成すれば、残りを心配する必要はなく、自動的に成長して急速に凍結します。しかし、変化によって生成された結晶核が小さすぎて凍結閾値を超えない場合、結晶核は自動的に溶けて氷は形成されません。これに加えて、温度が高くなるほど閾値が高くなり、十分な原子核を生成して成長させることが難しくなることも理解することが重要です。

過冷却水が出現する主な理由は、温度が低いほど閾値が低くなり、有効な原子核が生成されやすくなるためです。結晶核が形成された後、残った水分子が核に付着して急速に成長します。これが過冷却水が突然凍る理由です。実際、過冷却水の場合、結晶核の形成は変動に依存するため、不均一な水の流れは結晶核の成長につながります。

では、なぜ冷たい水はすぐに凍るのでしょうか?これは、氷と水の界面が大幅に減少し、閾値も大幅に減少したためです。過冷却水は準安定状態にあるため、カップを振ってガラス棒を挿入すると、瞬時に凍結し、すぐに氷が形成されます。

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過冷却水の取得

精製水を冷蔵庫の冷凍庫に入れて-24℃で凍らせます。このとき、水の温度は氷点の0度以下ですが、凍ることはなく、過冷却水になります。次に、冷蔵庫から過冷却水をゆっくりと取り除いてください。その後、ボトルを軽くたたいたり振ったりすると、透明な水の入ったボトルが瞬時に半透明の氷に変わり、ボトル内の水がすぐに凍るのがわかります。いわゆる純水は完全に純粋ではあり得ないため、つまり、その中に凝縮核がほとんど存在しないのです。さらに気温が下がると凍ってしまいます。

もちろん、外界からの干渉を受けることもでき、揺らすと凍ってしまいます。これは結晶核が変動に依存しているためであり、冷蔵庫から水のボトルを取り出すときは細心の注意を払う必要があります。あるいは、きれいなカップに過冷却水を慎重に注ぎ、小さな氷片を入れて、氷の周りで水が急速に固まるのを見ることもできます。

出典: インターネット

この実験を自宅で行う場合は、冷蔵庫の温度と冷凍時間についてよく知っておく必要があります。ボトルに熱湯を注ぎ、冷蔵庫に2〜3時間置きます。温度と時間の管理を忘れないようにしてください。温度管理が難しい場合は、タオルや断熱箱などで包み、ボトルの真ん中に温度計を入れて、温度が0度になったら取り出してください。振らないように注意してください。水を注ぐとすぐに凍るのがわかりますので、ぜひ試してみてください。

出典: デジタル北京科学センター