Warum fror Wasser fast augenblicklich, wenn man eine Flasche schüttelte, die in einer frostigen Nacht draußen übernachtete?

Aufgrund des vorhergesagten Frosts in der vergangenen Nacht habe ich gestern Abend einige 1,5-l-Standard-PET-Flaschen, die zu 90% mit warmem Leitungswasser (+60°C) gefüllt sind, in die Nähe einiger Gemüsesorten gestellt, die ich in meinem Garten schützen wollte. Die Temperatur ist letzte Nacht auf etwa -3 ~ -4°C gefallen.

Heute morgen bin ich hingegangen, um zu sehen, wie es gelaufen ist. Von den 10 Flaschen war eine zur Hälfte mit Wasser, zur Hälfte mit Eis gefüllt. In allen anderen Flaschen war das Wasser noch flüssig.

Also beschloss ich, sie zu leeren. Hier kommt das Interessante: Ich öffne die Flaschen, drehe sie auf den Kopf, um das Wasser zu leeren, und schüttele/drehe sie, damit sie schneller leer sind, und ich bemerkte, dass etwas nicht gut strukturiertes Eis (es sah eher aus wie schmelzender Schnee tatsächlich) bildete sich fast augenblicklich. Neugierig beschloss ich, den nächsten kräftig zu schütteln, während ich ihn leerte, und nun, diese Mischung aus Eis, die sich in diesem Moment bildete, erinnerte mich an die Textur der eisigen Frucht-Smoothies, die man im Sommer finden kann.

Wie erklären Sie sich, dass das Wasser, wenn es still war, zu 100 % flüssig war und dass sich Eis bildete, wenn ich die Flasche schüttelte? Ich meine, für mich bedeutet Schütteln = Hinzufügen von Energie, also sollte es das Wasser erwärmen und nicht so weit abkühlen, dass es Eis bildet? Aus diesem Experiment schätze ich nicht, und dass es stattdessen der verbleibenden Energie des 0 ° C warmen Wassers mehr oder weniger hilft, sich zu zerstreuen und superschnell Eis zu bilden. Liege ich mit meiner Argumentation richtig?

Ich werde das Experiment am nächsten Abend wiederholen und versuchen, ein Foto zu machen, um es hier hinzuzufügen.

Bearbeiten 1: Ich habe die gleichen Flaschen mit dem gleichen warmen Leitungswasser an der gleichen Stelle wie gestern platziert. Die kommende Nacht könnte sogar noch kälter werden... Ich versuche morgen früh ein paar Fotos zu machen.

Edit 2: Okay, heute Morgen war es nicht so beeindruckend wie gestern, aber es ist wieder passiert:

Beginnen Sie mit dem Entleeren der Flasche, nur klares kaltes WasserAbb.1 Wenn Sie beginnen, die Flasche zu leeren, kommt nur kaltes, klares Wasser heraus.

Dann ein bisschen zittern

Eispartikel haben sich beim Entleeren an der Innenseite der Flasche festgesetzt.

Abb.2 Eispartikel haben sich beim Entleeren an der Innenseite der Flasche festgesetzt.

Unstrukturiertes Eis sammelt sich am Boden anAbb.3 Am Boden hat sich unstrukturiertes Eis angesammelt.

Es ist ein total "wildes" und unkontrolliertes Experiment, also ist es nicht so beeindruckend wie die Videos, die Philip hier unten verlinkt.

Hier sind die Videos, aus denen die Screenshots extrahiert wurden:
https://vimeo.com/534346291
https://vimeo.com/534347556

Ich habe noch eine winzige Zusatzbeobachtung gemacht, die aber wahrscheinlich rein zufällig ist: Weil ich die Flaschen gestern mit warmem Wasser gefüllt habe, waren sie heute Morgen etwas drucklos und hatten eine Art globale konkave Form. Ich habe sie alle vor dem Öffnen geschüttelt; aber das Wasser blieb klar. Erst als ich sie öffnete und leerte, bildete sich Eis.

Sie sind ein wahrer Wissenschaftler!
Sie haben bereits eine gute Antwort, also sage ich nur, dass das, was Sie gesehen haben, das Gegenteil davon ist, warum Sie nicht versuchen sollten, Wasser in einer Mikrowelle ohne Stäbchen darin zu kochen: youtube.com/watch?v=2SzUrjfvWPU
schätze dich glücklich – du hattest eine supercoole Erfahrung!
Versuchen Sie, nicht nur die Flaschen zu schütteln, sondern auch einen Strohhalm oder einen Stab in das unterkühlte Wasser zu stecken oder ein Sandkorn hineinfallen zu lassen.
Mein Freund, Sie sind in Wikipedia Commons und auf Wikipedia gelandet! commons.wikimedia.org/wiki/… commons.wikimedia.org/wiki/… en.wikipedia.org/wiki/Supercooling

Antworten (2)

Herzlichen Glückwunsch, es klingt für mich, als hätten Sie gerade unterkühltes Wasser beobachtet ! Es gibt viele Videos auf YouTube, die dieses Phänomen beschreiben und es viel besser erklären, als ich es könnte, siehe hier für ein Veritasum-Video, in dem dies zum Beispiel diskutiert wird.

Die Grundidee ist folgende: Wenn Wasser gefriert, bildet es Eis, das eine schöne regelmäßige Kristallstruktur ist. Eiskristalle benötigen jedoch eine Keimbildungsstelle , das ist ein Punkt, an dem sich die Kristalle bilden können, bevor sie sich tatsächlich bilden können. Unter normalen Umständen weist Wasser normalerweise einige Verunreinigungen auf, die als solche Keimbildungsstellen dienen können, um die herum der Kristall zu wachsen beginnt und sich Eis zu bilden beginnt.

Wenn Sie jedoch sehr reines Wasser verwenden, gibt es keine solchen "natürlichen" Keimbildungspunkte und daher besteht die Möglichkeit, dass die Wassermoleküle Eis bilden wollen, aber nicht ganz dazu kommen. Infolgedessen werden die Flüssigkeiten weit unter ihrem Gefrierpunkt in einem "metastabilen" Zustand eingeschlossen, aber ein solcher Zustand hat eine prekäre Stabilität, die leicht gestört werden kann. Das Schütteln der Flasche ist eine Möglichkeit, diese Stabilität zu stören, da es einigen Wassermolekülen die Möglichkeit gibt, sich genau richtig auszurichten, um den Kristallisationsprozess zu starten, und sobald dies geschehen ist, ist es für das System energetisch günstig, Eis zu bilden , also hüpfen auch alle anderen Wassermoleküle mit. Infolgedessen würden Sie normalerweise sehen, wie der Kristall in eine Richtung "wächst", bis das gesamte Wasser zu Eis wird.

Natürlich müssen Sie es nicht schütteln, Sie könnten einfach eine andere Art von Nukleationspunkt einführen, wie in diesem sehr hübschen Video zu sehen ist, und es würde zu den gleichen Ergebnissen führen, oder Sie könnten alternativ das unterkühlte Wasser sehr vorsichtig gießen auf einen Eiswürfel und bilden eine Art Eisskulptur (siehe dieses Video von The Action Lab ).

Es braucht mehr Energie, um unterkühltes Wasser zu bilden als Eis, was bedeutet, dass, wenn das Wasser zu Eis übergeht, es tatsächlich etwas Wärme freisetzt , so dass unterkühltes Wasser tatsächlich kälter als Eis ist. Übrigens wird dieser Prozess auch bei anderen Materialien beobachtet, insbesondere bei Natriumacetat, das zur Herstellung von Wärmepackungen wie dieser verwendet wird.

Ich habe es nie geschafft, unterkühltes Wasser selbst zu sehen, obwohl ich es einige Male versucht habe. Ich bin ziemlich überrascht, dass Sie es aus Leitungswasser bekommen konnten, da es normalerweise sehr reines Wasser erfordert. Ich hoffe, Sie können das Experiment reproduzieren!

Und für Sie Jugendliche ist dies die Prämisse hinter der Gefahr, die Ice-Nine in einem bestimmten Buch eines bestimmten Autors darstellt.
Das Gegenteil davon ist überhitztes Wasser, das ich neulich (leider) in meiner Mikrowelle beobachtet habe – wenn Wasser in einer Mikrowelle erhitzt wird, kann es über 100 °C heiß werden, ohne zu kochen, nur um in einer riesigen Wasserexplosion auszubrechen, wenn es eine bestimmte Temperatur erreicht und / oder ist leicht gestört (ähnlich wie beim OP, das beim Schütteln plötzlich Eis bekommt).
vielen Dank für deine Antwort und die netten Links! Diese Granita-Smoothie-Struktur, die Sie in einem der Videos sehen, ist genau das, was ich erlebt habe! Und dass Wasser beim Gefrieren Energie freisetzt, ist eine Technik, die Obstbauern hier bestens bekannt sind, wo man bei Frühlingsfrösten oft diese Szenen sieht, wenn sie die jungen Knospen zum Schutz mit Wasser besprühen: laliberte.ch/media/ image/35/zoom/20200326130952445.jpg
Ich stelle meinen Kühlschrank auf knapp über dem Gefrierpunkt ein, und am Ende lande ich normalerweise damit, dass meine Wasserflaschen (geringfügig) unterkühlt werden. Und ganz nebenbei schmeckt unterkühltes Wasser absolut ERSTAUNLICH.
Die Wärmeabgabe heißt en.wikipedia.org/wiki/Recalescence . Damals, als ich dünne Schichten mit gepulstem Laser schmolz, konnten wir beispielsweise für flüssiges Silizium Unterkühlungen von 100 K erreichen. Das Überhitzen eines Feststoffs ist schwieriger, da die Oberfläche vor der Masse schmilzt (weniger Bindungen), wodurch die Flüssigkeit leichter Keime bildet, als man denkt.
Für ein vermutlich verwandtes Ereignis lasse ich eine PowerAde etwa eine Stunde lang im Gefrierschrank. Wenn ich es herausziehe, ist es noch flüssig. Aber nach einem kräftigen Schütteln verwandelt es sich in einen Matsch.
Jetzt, wo du es so sagst, scheint das Wassermolekül wie eine schüchterne Person zu sein, die etwas sagen möchte, aber wartet, ob jemand anderes dasselbe tut, bis zu diesem kleinen Schubs und dann plötzlich alle mitmachen. Niedlich.
@DanHenderson Es hört sich so an, als ob es bisher nicht in deinem Hals gefroren und eine Blockade verursacht hätte ... vielleicht eine nicht nachweisbare Mordwaffe, wie Kugeln aus Eis?
Es ist interessant, dass Sie sagen, es funktioniert am besten mit reinem Wasser, ich habe es selbst einige Male mit alkoholischen Getränken (ca. 5% Alkohol) beobachtet, in den Gefrierschrank gestellt, um schneller zu kühlen, dann vergessen. Lassen Sie die Kappe los und das entweichende Gas erzeugt die Nukleationsstellen und friert den Inhalt sofort ein. In einem Beispiel fror es nicht ein, als der Deckel entfernt wurde, aber als jemand versuchte, den ersten Schluck aus der Flasche zu „stehlen“, war das Umkippen der Katalysator und ihr Verbrechen zahlte sich aufgrund der sofortigen Eisbildung nicht aus.
Sehr cool, @Lefty, das wusste ich nicht. Für alle anderen Interessierten hier ein cooles Video mit einer Flasche Bier . Ich denke, was mit "Reinheit" des Wassers gemeint ist, ist nur das Fehlen von Keimbildungsstellen wie Staubstückchen. Ich glaube nicht, dass gelöste Salze oder Alkohol eine Keimbildung ermöglichen, also zählen sie nicht ganz. Bier könnte tatsächlich besser unterkühlt werden als Leitungswasser; Ich vermute, dass es extrem sauber ist, da es vor der Abfüllung einen Filtrationsprozess durchläuft, der die meisten Verunreinigungen entfernt, die als Keimbildungsstellen dienen könnten.
@Philip Ich denke, du hast Recht, dass es irgendwie einfacher ist, mit Bier nachzubilden, aber ich bin mir nicht sicher, warum. Es könnte die Filterung sein, wie du vorschlägst. Ein toller Party-Trick, wenn man es mit einiger Konsequenz hinbekommt. Ich habe es immer nur aus Versehen gemacht, wie gesagt, vielleicht 1 bis 2 Stunden Gefrierzeit für eine 500-ml-Flasche.
Hier ist ein weiterer netter Videolink über diese wiederverwendbaren Handwärmer und das ganze Phänomen der Unterkühlung und Übersättigung: youtu.be/Oj0plwm_NMs
Es ist interessant, dass der Fragesteller mit heißem Leitungswasser begann (seine Absicht war es, Pflanzen warm zu halten und eine Flüssigkeit nicht zu unterkühlen). Das erinnert mich an den Schüler Mpemba, der herausfand, dass heißes Wasser unter Umständen früher gefriert als eine gleiche Menge kaltes Wasser. Siehe Wikipedia: Mpemba-Effekt für viel mehr darüber. Vielleicht hat der Fragesteller einen Trick entdeckt (dh ausgehend von heißem Wasser), der es aus irgendeinem Grund einfacher macht, eine Unterkühlung zu erreichen, was sie zu einer "Mpemba 2" macht.
Abgesehen von festen Verunreinigungen können die Menge (und Art) der im Wasser gelösten Gase vor dem Unterkühlungsversuch sehr wichtig sein. Dies kann damit zusammenhängen, warum Bier anders wirkt als Wasser. Das Schütteln einer verschlossenen Flasche, in der sich Gase lösen, kann den Druck in der Flasche vorübergehend verändern. Natürlich ändert sich beim Öffnen der Flasche der Druck schlagartig zu dem der Umgebung. Im Fall des Fragestellers war vor dem Öffnen ein niedrigerer Druck in der Flasche. Sie können aber auch in einem offenen Behälter (z. B. einem Glas ohne Deckel) mit unterkühlendem Wasser experimentieren.

Vielleicht Unterdruck?

Wenn Sie die Flasche leeren, ist es anfangs schwierig für Luft einzudringen (dieses langsame Glug-Glug-Glug-Ding) und daher sinkt der Druck der Lufttasche oben in der Flasche, und wenn der Druck abfällt, gefriert Wasser schneller und einfacher .

Auch Ihr Wasser begann warm, so dass möglicherweise weniger Sauerstoff vorhanden ist, was auch dazu führt, dass es unter den oben genannten Bedingungen leichter einfriert.

Warum fror Wasser fast augenblicklich, wenn man eine Flasche schüttelte, die in einer frostigen Nacht draußen übernachtete?
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