Вопрос школьника
Очищенную воду можно ввести в метастабильное состояние, переохладив её до температуры Т = 263 оК. Если в такую воду бросить кристаллик льда, ядро кристаллизации, то вода мгновенно начнёт переходить в твёрдое состояние. Какая часть воды замёрзнет, если система изолирована?
Ответ от учителя
Переход воды из метастабильного состояния в твёрдое состояние при наличии ядра кристаллизации называется кристаллизацией. При этом происходит выделение теплоты, которая передаётся окружающей среде. Если система изолирована, то эта теплота не может уйти, и она остаётся в системе. Это приводит к дальнейшему охлаждению воды и кристаллизации большей её части.
Чтобы определить, какая часть воды замёрзнет, можно воспользоваться формулой Гиббса-Томсона, которая связывает изменение температуры при кристаллизации с изменением давления. В данном случае мы можем считать, что давление постоянно, поэтому формула упрощается:
ΔT = Tm — T,
где ΔT — изменение температуры при кристаллизации, Tm — температура плавления льда (273 К), T — температура воды (263 К).
Из этой формулы следует, что при кристаллизации температура воды уменьшится на 10 К. Таким образом, если вода была очищена и находилась в метастабильном состоянии при температуре 263 К, то при кристаллизации замёрзнет вся вода, так как её температура опустится до температуры плавления льда.
