为什么流动的水零下不结冰，是否存在一个极限温度，如低于多少度任何水不能流动了和流动性有什么关联？

2016-02-13

水能否结冻，要看大气的冷却能力与被冷却物体的热容量之间的比较。水一流起来，外界给了「功」，不论转换成热能或热容量，都会使流动的水难以结冰。

结冰的过程温度不变，但照样要放热，让水结冰，就必须把这部分热量带走。如果是河流或者湖泊里面的水要结冰，热量主要是传给上方的冷空气直接带走的。传递的方式有几种：

1). 在结冰开始前，水通过直接和冷空气接触换热，这时涉及的热传递既有热传导，还有水汽蒸发带走的热量（汽化热）；

2). 通过河边湖畔的土壤等固态物体传导到它们与空气的接触面上再由冷空气带走；

3). 已经开始结冰以后，在冰层下与水的界面处释放的相变潜热会通过冰层热传导到上表面（与冷空气的界面），再由空气带走。

分析了这些相关的过程以后，我们才好去作关于流水不易结冰的进一步讨论。上述第一种传递方式，水是流动的不假，但空气通常也是流动，而且流动速度（风速）往往比水流速度更快。如果水不流动，让冷空气流动起来，结冰的速度只会更快而不会更慢。原因是冷空气一旦流动起来，单位时间内带走的热量会更多（所以我们在有风的冬日会感到格外的寒冷）。因为会有更多的冷空气与水面接触，而且流动的空气会降低水面附近的水蒸汽压，加速水的蒸发，带走更多的热量。那就可能有几种原理可以来解释：

① 刚结冰就被带走，这是一种冰水混合物的状态，如果冰屑夹杂在水中流动的时候，我们不会说这水「结冰」了，因为我们看到的是流动的「水」而可能看不到那些细小的冰屑，主要是水的流体特征。在流动的情况下，冰屑之间不断地分分合合，没有充足的时间形成稳定的粘连，使得流动性得到最大限度的保持，也是造成其不易结冰现象的一种原因。

② 空气的流动固然会加快结冰速度，而水本身的流动却很可能会减缓结冰速度，还有个可能原因是流动的水可能导致水上下层之间的对流。由于水的密度与温度的关系与其他物质大不相同，它在 4°C 存在一个密度最大值，这个温度的水是沉在最下面的，这样如果是一潭死水，无法由于温差的原因出现上下层对流了，此时的传热也只能靠热传导来缓慢地进行。可是水一旦流动起来，情况就会大不相同了。在很理想的光滑底面的水渠中流动或许可以保持完美的层流状态，一旦水底的某些对流动其阻碍作用的障碍物，水的层流就会被破坏，就可能在一定范围内产生一些漩涡、湍流，而这些漩涡和湍流，就有可能使底部较高温度 ( 最高也就 4°C )的水向上流动，而上面较低温度的水向下流动，这样带上来的热量阻碍表层水的降温和结冰。

③ 流动时分子碰撞内能增大，产热使冰融化。

是否存在一个极限温度，低于多少度时水不能流动了？这当然跟「流动性」有关联，但流动性是「果」、提供多少凝固热才是「因」。水在 0℃ 的凝固热为 5.99kJ╱mole (或 80cal╱g)，如果是静止时当然比较好计算，但流动的水在还没凝固前就需要更多冷却能力来使水凝固了。

还是那句老话，每个解释都有道理，但或许终究是瞎子摸象。管他的，你觉得有道理就好了，懂这些道理还是要去做些有用的应用比较重要吧。

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液态水想要凝固结晶，其相变的驱动力是体系内自由能的降低。当温度降到熔点一下，液相中短程有序的原子集团就可能成为均匀形核的晶胚，当这些晶胚达到临界半径就能长大。而当过冷度越大时，临界半径越小，所以可以理解为温度比熔点低的越多，越容易凝固。对于易流动的液体来说，形核率随温度下降到某个温度时会突然显著增大，这个温度就叫有效形核温度。一般当液体可过冷的最低温度为熔点的80%左右时，会发生有效形核。比如水的话，熔点为273K，那么218K时为有效形核温度，即零下50多度。