כולנו לומדים כבר בגיל צעיר שמים קופאים והופכים לקרח באפס מעלות צלזיוס. אולם התהליך שבו מים הופכים מנוזל למוצק (קרח) הוא הרבה יותר מורכב מהנראה לעין. למעשה, בתנאים מסוימים אפשר לקרר את המים לטמפרטורות נמוכות יותר ועדיין להשאיר אותם במצב צבירה נוזלי. לא מאמינים שזה אפשרי? הישארו איתי.

בתהליך הקירור, המים מאבדים אנרגיית חום (אנרגיה תרמית). כשהטמפרטורה שלהם מגיעה לאפס מעלות צלזיוס, אנרגיית החום של מולקולות המים נמוכה מספיק כדי שהן "יעדיפו" ליצור מבנה צפוף ומסודר יותר שאנו מכירים כקרח.

תהליך יצירת הקרח מתחיל ביצירה של גבישים קטנים מאוד שנקראים גרעינים או גרעיני גיבוש. לאחר מכן מתחיל שלב הגדילה שבו מתווספות לגרעין מולקולות מים חדשות ומגדילות אותו, עד שלבסוף נוצר הגביש הסופי והמים הופכים לגוש קרח כפי שתוכלו לראות בסרטון הבא:

תהליך קפיאת המים והגדילה של גביש הקרח בהילוך מהיר.| יוצר: 1Decree.

אם כך, איך אפשר לקרר את המים מתחת לאפס מעלות בלי שיקפאו?

מי ברז, כמו כל מי שתייה אחרים שאנו צורכים, אינם טהורים לחלוטין אלא מכילים גם חלקיקים קטנים מאוד המגיעים בעיקר מסלעים ומהאבק שבאוויר. החלקיקים האלה מספקים מעין מצע שמקל על גרעינים להיווצר ומאפשר לגבישוני הקרח הקטנים להסתדר סביבם. התהליך שבו חלקיקים זעירים עוזרים ליצירת גרעינים נקרא נוקלאציה הטרגונית או התגרענות לא אחידה.

לעומת זאת, מים שעברו תהליכי טיהור כמו פילטור או אוסמוזה הפוכה יכילו כמות קטנה מאוד של חלקיקים. בהיעדר חלקיקים במים, הגרעינים יצטרכו להיווצר בלי "עזרה" של מצע חלקיקי, בתהליך שנקרא נוקלאציה הומוגנית (התגרענות אחידה). מכיוון שבתהליך זה לא קיים מצע שיעזור למולקולות המים להסתדר וליצור גרעינים, יהיה עליהן ליצור את הגרעין בעצמן. לכן התהליך הזה מתרחש רק בטמפרטורות נמוכות יותר מאפס מעלות צלזיוס.      

במילים פשוטות נאמר שמים טהורים אינם קופאים באפס מעלות צלזיוס אלא בטמפרטורה שיכולה לרדת אפילו עד ל--48 מעלות צלזיוס. מים נוזליים בטמפרטורה נמוכה מאפס מעלות צלזיוס נקראים "מים סופר-קרים". לא מאמינים שזה אפשרי? ראו את הסרטון הבא. 

מים סופר-קרים.| יוצר: Leroy Fullgraf.

בסרטון שראיתם קיררו מים טהורים בבקבוק פלסטיק לטמפרטורה נמוכה מאפס מעלות צלזיוס וקיבלו מים סופר-קרים. אולם אחרי שדפקו את הבקבוק בשולחן המים קפאו מיד. מדוע?

מים סופר-קרים אמנם נמצאים במצב צבירה נוזלי, אך בגלל הטמפרטורה הנמוכה שלהם די בעזרה קלה מאוד מבחוץ כדי ליצור גרעינים ולהקפיא את המים. בסרטון, המכה שנתנו לבקבוק "עזרה" למולקולות המים להסתדר וליצור גרעינים. אותו דבר אפשר לעשות גם אם נוסיף למים חלקיקים כמו מלח או קרח גרוס ואפילו אם סתם נשפוך אותם לכלי אחר, פעולה שמובילה לכניסת חלקיקים למים.

אז מדוע מלמדים אותנו שטמפרטורת הקיפאון של מים היא אפס מעלות צלזיוס? משום שבדרך כלל מים אינם טהורים לגמרי וכמעט תמיד הם מכילים חלקיקים. אולם אם המים בכדור הארץ היו טהורים לחלוטין, טמפרטורת הקיפאון שלהם הייתה נמוכה יותר.

ועכשיו, סתם בשביל הכיף, הנה סרטון נוסף שמדגים איך אפשר להקפיא מים סופר-קרים גם כששופכים אותם.

הקפאת מים סופר-קרים. יוצר: misterseng.

 

רן טבעוני
דוקטורנט, המחלקה לחומרים ופני שטח
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך במענה לכתבה זו ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

2 תגובות

  • ישעיהו

    בסרטון הראשון זה הפשרה בהילוך חוזר ולא הקפאה

    התהליך כמעט תמיד קורה מהחוץ כלפי פנים. במעבר מנוזל למוצק תקפא קודם השכבה החיצונית ולאחר מכן הפנים.
    ההפשרה מתחילה גם היא מהשכבה החיצונית שהופכת לנוזל, שבתוכו צף הקרח שעדיין לא הפשיר.

  • אנונימי

    אני עובד עם מים סופר נקיים,

    אני עובד עם מים סופר נקיים, 18.2MOm והם נקפאו היטב באפס מעלות. אז נא לא לפרסם שתויות