溫度低於零度，水不一定結冰

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溫度低於零度還不結冰的水有個名詞叫「過冷水」。過冷水之所以不結冰，是因為水中缺少凝結核或其他情況，所以在0℃以下還保持著液態。

水過了零度還不結冰的原理是因為如果你想讓液態水結冰，你需要一個冰核———一個結晶成為冰核，其他結晶圍繞冰核凝結。其實形象點說就是：水是由水分子構成的，在水的溫度達到0℃時水分子已經為凝固也就是結冰做好了準備，但是這個時候就尷尬了，需要一些水分子先結冰，「率領」其他水分子一起愉快的結冰，但是這時候，如果沒有人先起這個「帶頭作用」（在非常純凈的水中，沒有可以圍繞形成冰晶的污染物或微粒，由於水獨特的熱力學，結晶難以實現。），這些水分子就會幹耗著，誰也不結冰，直到有一個水分子先結冰。



如果這時候周圍環境的溫度低於水的溫度，那麼水的溫度會繼續降低，但不結冰，成為低於0℃的「過冷」液體。這個時候，如果用力搖晃這瓶過冷水，或者在過冷水的湖裡扔一塊石頭，水分子受強烈震動或外部擠壓，有些水分子就會率先迅速結冰，由於水的溫度已經遠低於0℃，所以瓶中的水分子會以它們為中心迅速結冰

有個簡單的實驗：把一瓶礦泉水放在冰箱的冷藏室24h以後輕輕取出（一定要輕，不要劇烈晃動）。。你會發現，哎喲？怎麼還是液態的？。。接著，你用你沙包大的拳頭捶一下，哎喲，神奇的事情發生了，水結冰了，完全凍住了……有興趣的可以去試試……

好啦，試沒試過的知友們都來看，我要更新！首先放一張圖！


水的三相變化與溫度和壓力的關係。 Solid: 固態，Liquid：液態， GAS：氣態



一般的物質都會有固、液、氣三相。以水來說，三相彼此之間的區別大體上是分子的活躍性和之間的距離。比如，液態水加熱以後，分子特別活躍，就成了水蒸氣。而水蒸氣變成液態水，可以通過冷卻，也可以通過另外一種方法，就是施加外界壓力。變成液體的水，理論上通過不斷的施加壓力也可以變成固態。然而，對於水來說，水凝結的時候分子間反而會變得更加鬆散，所以冰的密度比水小，冰山能浮在水上。利用這一點，在液態水變成冰的時候，施加足夠的壓力，就可以在零下的時候使水仍然是液體。

即使，不通過加壓的方法也可以讓水保持液體。一個簡單的方法就是，往水裡面加鹽，比如食鹽——氯化鈉。陰陽離子能干擾水分子之間的相互作用。理論上加的鹽越多，冰點就會越低，但是鹽是有溶解度的，不能無限加。所以，鹽的飽和水溶液的冰點約大約有零下二十度。

即使沒有上述這些，水還是可以在零下保持液態的。你需要的，只是一瓶純凈水！水凝結成冰，水蒸氣凝結成天上的雲，夏天的雨和冬天的雪，都需要一個稱為「凝結核」的東西。這個凝結核，可以是天空中漂浮一粒微小的灰塵，可以使一粒PM2.5，可以是一次微小的擾動。然後，冰就從這微小的顆粒開始凝結。如果，水特別乾淨，也沒有任何擾動，在零下40度它還是液體的。這種水稱為「Supercooled water」、「Iceice」、「超冷水"。



說了那麼多，還沒有本質上解決即使在零下，水還是液態的問題，因為涉及到具體的分子結構會比較複雜。簡單來說，從水到冰，從液相到固相，都是水分子活躍性降低和分子間距改變的原因。下面一張圖，可以直觀反映。


水是很特殊的一種物質，分子間有很強的氫鍵，結成冰以後，分子會形成規則的六邊形的結構，比如


水分子的結構

黑色的線代表氫鍵。分子間的間距由於氫鍵的作用不會被縮小，反而變大，因此，水變成冰體積會變大的。如果水分子沒有重排成規則結構，冰也是不能形成的，也就是，溫度零下40度的「supercooled water",水分子之間並沒有形成規則結構，但是，水分子現在處於較低的活躍態，有更多的機會形成微小的規則結構，所以，微小的擾動就可以使液態水快速凝結。理論上，只要保持分子間的無需狀態，可以在更低的溫度下保持水的液態，但是需要的條件也更為苛刻。因為分子除非到了絕對零度，不然都是一直在運動的。



總結下來，冰的形成起始於，構成水的水分子之間的一小部分水分子形成規則結構（這個也可以稱為分子級的"凝結核"），然後拉攏更多的水分子加入到規則形狀當中。如果有灰塵作為」凝結核「，這個隨機過程就直接加速了。而加入鹽，鹽離子干擾了分子間形成的規則結構，所以冰點降低了。

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對水加壓到一定程度，水會變成冰嗎？那時候冰的溫度比之前的水低嗎


對物體做功內能只會增加

氣體加壓會變成液體，液體加壓會變成固體嗎
追答
材料熱力學學過嗎，水的沸點在高山上降低，可以說有條件的話，0度也會煮開水。同理，在高於常壓下熔點的一個溫度區間，可以通過增加壓力使液體發生液——固相變，即液體變為固體。對於水來說就是只要壓力足夠高，冰可以在高於0攝氏度存在。

對水加壓到一定程度，水也不會變成冰。

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Geim教授，就是那位憑藉發現石墨烯而獲得諾貝爾物理學獎的大牛，有一篇文章恰好關注了這個問題見Square ice in graphene nanocapillaries .這個文章裡的做TEM的實驗室和我們有合作很熟。作者在兩片單層石墨烯形成密閉空間中壓縮水到一納米的厚度，發現水在其中成為了立方相的水單晶，而且這些單晶可以疊成雙層或者三層晶體。我來介紹並分析一下，首先樓主提及的壓縮水的壓力是多少呢？答：一萬倍大氣壓，即1,013,250,000 Pa，也就是說大約相當於每平方米上壓了101,325噸的東西。這麼大的壓力是如何實現的？當然不是靠液壓來壓。是靠兩片石墨烯中的分子間相互吸引作用力來實現的。真是不得不讚歎大牛的實驗眼光。大牛還給了一個視頻，顯示兩層石墨烯中間，在電子束的照射下，這個晶體不斷生滅，非常漂亮的工作。

作者：知乎用户
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蒸餾水會不會因為沒有冰核，因此零度以下也不會結冰？ @Talk+ GPT

蒸餾水在常溫下沒有形成固體晶體的情況下，通常不會因為沒有冰核而不會結冰。但是，這並不代表蒸餾水可以在零度以下的情況下永遠不會凝結。事實上，如果蒸餾水受到外界的壓力或振動，或者在容器中有微小的表面刺激或缺陷，都有可能形成冰晶，尤其當蒸餾水與另一個冷凍物質（如冰塊）接觸時，冰晶的形成會更容易。因此，如果您需要將蒸餾水保存在冷凍環境中，最好使用密封蓋的容器，以免受到外界刺激而導致結冰。