沸水和霜

开水

1 ka 水的冻结时间对初始温度的依赖性如图 红线所示。左边 - 当水蒸发到真空中时；右侧 - 外部压力等于温度为 -10°C 的过冷水表面上方的饱和蒸气压。
绿色虚线曲线显示了关系

你面前有两个眼镜。一种用沸水，第二种用自来水。如果玻璃杯结霜，哪一个的水会先结冰？

答案似乎很明显：当然，沸水需要更长的时间才能结冰。毕竟，当热水冷却到冷水时，它已经开始结冰了。

然而，如果冬天把两个装有冷水和热水的木桶放在室外，热水会比冷水更快结冰。让我们用盖子盖上浴缸 - 效果就会消失。让我们将水倒入金属桶中——同样不会发生任何异常情况。

这种乍一看似乎很矛盾的现象有一个简单的物理解释。

水在 0° C 时会结冰。首先它冷却到这个温度，然后开始形成冰。这同样适用于冷水和热水。水已经冷却了怎么办？

在回答这个问题时，应考虑两个过程：与环境的热交换和蒸发。如果容器由良好的绝缘体（例如木材）制成，则很难通过壁进行热传递，并且主要由于表面的蒸发而发生冷却。

在蒸发过程中，液体表面上方形成蒸汽区域，其压力始终在变化。如果容器是封闭的，那么该蒸气很快就会饱和，压力$P_H$等于给定温度下的饱和蒸气压。

然后几乎完全由于热交换而发生进一步的冷却。

在开放的容器中会发生完全不同的现象。正如已经说过的，

水从初始温度冷却到0°C所需的最长时间，黄色虚线表示冷却到0°C后剩余的水结冰需要多长时间。时间单位是初始温度为 0°C 并置于真空中的水结冰的时间。

和霜

液体蒸发直到与蒸汽建立平衡，即直到液体表面上方的压力等于$P_H$。饱和蒸气压$P_H$取决于温度并随温度升高而增加。因此，热液体的蒸气压小于$P_H$，并且由于强烈的蒸发，它很快冷却。在蒸发过程中，水的质量自然会一直减少，因此，当温度达到 0°C 时，“热”容器中剩余的热水会比“冷”容器中剩余的热水少。两个容器中的液体将在相同的条件下进一步冷却。由于“热”容器中剩下的水较少，它会冻结得更快。加拿大物理学家凯尔研究了所描述的现象。他拿了两个宽口保温瓶，每个保温瓶里装满了1550克水，其中一个保温瓶的水温为$t_1=88°С$，第二个保温瓶的水温为$t_2=56°С$。

将热水瓶放置在室外，空气温度为-6.5°C。当$t_1$等于39°C时，“热”保温瓶中只剩下1430克水，最终结冰的程度甚至比“冷”保温瓶中的水还多。

事实证明，在从100°C冷却到0°C的过程中，水失去了16%的质量，而当冻结时，又失去了12%，也就是说，获得的冰比原来的水量少了28%。研究还发现，水从沸点到 50° 的冷却速度比从 50° 到 0° 的冷却速度快约 9 倍。因此，在某些条件下，当与环境热交换困难且液体的自由表面暴露于液体时，沸水会比自来水更快地结冰。