كيفية رفع درجة تجمد الماء

من السهل خفض درجة تجمد الماء. كل ما عليك فعله هو إضافة الملح أو السكر أو أي مادة مذابة أخرى. الذهاب في الاتجاه المعاكس ورفع درجة حرارة الماء المتجمدة ليس بالأمر السهل. في الواقع ، يشك بعض العلماء في إمكانية القيام بذلك. ومع ذلك ، على الرغم من أنه قد يكون صحيحًا أنه لا يمكنك رفع درجة التجمد عن طريق إضافة مادة مذابة ، فقد اكتشف الباحثون طرقًا أخرى لنقطة التجمد الخاصة بالمياه فائقة التبريد. أحدهما باستخدام الكهرباء ، والآخر عن طريق إضافة الكحول أو التستوستيرون. هذه الطرق تعمل فقط مع الماء النقي.

إن العملية التي يتجمد بها الماء معقدة بسبب حقيقة أن الماء جزيء قطبي ، مما يعني أنه على الرغم من أن شحنته الصافية تساوي صفرًا ، إلا أن نهايته موجبة وسالبة ، مثل المغناطيس. ترتبط جزيئات الماء ببعضها البعض كهربائيا مع الشوائب الموجودة في الماء عن طريق تكوين روابط هيدروجينية ، وتتحد بسهولة أكبر في الجليد إذا احتوى الماء على شوائب. إذا كان بإمكانك إيجاد طريقة لتعليق قطرة من الماء النقي في الهواء دون أن تلمس أي شيء ، يمكن أن يبقى في الحالة السائلة عند درجات حرارة أقل بكثير من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت). يمكن أن تبقى هذه المياه فائقة التبريد في الحالة السائلة حتى تنخفض درجة الحرارة إلى -40 درجة مئوية (-40 فهرنهايت).

ومع ذلك ، فإن إضافة الكحول إلى الماء يغير سلوكه. عند تبريده ، يشكل الكحول أشكالًا سداسية شبيهة بالجليد ، وتتجمع قطرات الماء حولها بدلاً من أن تطفو بحرية حول بعضها البعض. توفر الهياكل السداسية نفس النوع من الاستقرار مثل الشوائب الصلبة. عن طريق إضافة الكحول ، وجد العلماء أنه يمكنهم رفع درجة تجمد الماء النقي إلى 0 درجة مئوية.

حاول العلماء الإسرائيليون اتباع نهج مختلف لرفع درجة الحرارة التي يتجمد عندها الماء شديد البرودة. قاموا بإنشاء خلايا مشحونة عن طريق وضع بلورات كهروحرارية داخل أسطوانات نحاسية. وضعوا هذه الخلايا في غرفة رطبة وخفضوا درجة الحرارة حتى بدأ الماء يتكثف على البلورات. استمروا في خفض درجة الحرارة ووجدوا أن القطرات تجمدت عند -12.5 درجة مئوية (9.5 فهرنهايت) على سطح غير مشحون ، ولكن على سطح مشحون إيجابيًا ، تجمدت عند -7 درجة مئوية (19.4 درجة مئوية). على سطح مشحون سالبًا ، تجمد الماء عند -18 درجة مئوية (-0.4 فهرنهايت).

أسفرت التجربة عن نتيجة أكثر إثارة للدهشة. وجد الباحثون أن قطرات الماء ظلت سائلة على سطح سالب الشحنة لمدة 10 دقائق عند -11 درجة مئوية (12.2 درجة فهرنهايت) ، ولكن عندما تتبدد الشحنة ، يمكن أن تتسبب في تجمد القطيرات عن طريق رفع درجة حرارة الغرفة إلى -8 درجة مئوية. (17.6 فهرنهايت). والسبب هو أن رفع درجة حرارة الغرفة يولد شحنة موجبة على البلورات.

يعلم العلماء أن إضافة السخام إلى الماء النقي يرفع درجة التجمد بحوالي 7 درجات مئوية ، لكن هذا لا شيء مقارنة بهرمون التستوستيرون الذكري. يمكن أن ترفع درجة تجمد الماء النقي الذي تم تبريده بشكل فائق من -40 درجة مئوية إلى -1 درجة مئوية (30.2 فهرنهايت). الباحثون غير متأكدين من كيفية عمل ذلك ، لكنهم يشتبهون في أن الآلية مشابهة لتلك الخاصة بالكحول.

تعتمد الكمية التي يمكنك خفض درجة تجمد الماء فيها على تركيز المادة المذابة التي تضيفها ، لكن لا يمكنك خفض درجة التجمد إلى أجل غير مسمى. في الواقع ، يتم تعريف نقطة الصفر على مقياس فهرنهايت (-17.8 درجة مئوية) على أنها درجة حرارة التجمد لمحلول مشبع من الماء المالح. لن يذوب الملح في محلول مشبع ، لذا فإن 0 درجة فهرنهايت هي أدنى درجة حرارة يمكنك خفض درجة انصهار الماء فيها بالملح. ومع ذلك ، فمن الممكن أن يتم تبريد الماء بشكل فائق ليبقى في الحالة السائلة عند درجات حرارة منخفضة. حدد باحثو جامعة يوتا درجة الحرارة التي يجب أن يتجمد عندها الماء لتصل إلى -48 درجة مئوية (-55 فهرنهايت).