過冷却とは

質問

過冷却ってどんなときに起きるのでしょうか
どんな物でも過冷却はおきるのですか？

回答No.4

siegmund · ベストアンサー

siegmund です．

> 純物質でも氷水というか、水に氷が入っていると
> もうダメでしょうか？
ダメですね．
氷が存在することによって，
その表面近くに過冷却水があったとしても
前の私の話の「峠」がなくなっています．
nozomi500 さんの回答で「ショックを与えると、ピシピシ凍っていきました」は
一部が氷になるとそのために過冷却状態が準安定でなくなり(「峠」がなくなり)
それが雪崩を打つように広がって行くことを示しています．

nozomi500 さん：
> 空の上でも、冷えた水蒸気が「過飽和」になって、核になる塵にあたって水滴になりますが

これは水の表面張力の影響が大きく，
小さい水滴は表面張力のためにできにくいことと関係があります．
水滴は瞬時に大きくなれませんから，小さい水滴を経由する必要があります．
その小さい水滴の状態が「峠」なのです．

物理では「霧箱」というのが有名で，放射線などを検出する装置です．
過飽和の水蒸気を箱に満たしておき，
そこに放射線が入ると空気をイオン化させたりするため
放射線の通った道に沿って霧ができるというわけです．
霧箱の発明はノーベル物理学賞になった仕事です．
今はもう使われなくなってしまいましたが...

> 過冷却状態になるのは純物質だけですか？
> 例えばエタノールと水の混合物の場合はどうでしょう。
１次相転移ですから原理的には過冷却が起こっても良い気がしますが，
具体的にみえるかどうかは知りません．

お礼

ありがとうございます

回答No.6

siegmund

siegmund です．

> ダイヤモンドも過冷却の状態ですか？
過冷却＋過減圧の状態ですね．
熱力学では過減圧の類も標語的にひっくるめて過冷却ということが多いです．
炭素の安定状態は常温常圧ではグラファイト，高温高圧ではダイヤモンドですから
常温常圧のダイヤモンドは熱力学的に安定ではありません．
ダイヤモンドを1500℃から2000℃に熱すると(燃えないように空気を断って)，
グラファイトになってしまうということです(もったいない！)．

iyukihiro さんのガラスの話はちょっと難しいところです．
通常は，温度を下げていったとき(ある程度速く)，
液体 → 過冷却液体 → ガラス，となると言うのが一般的認識でしょう．
過冷却液体 → ガラス，をガラス転移と言っています．
ここは準安定平衡状態から非平衡状態への転移なので，
転移温度が温度降下速度に依存したりして，
通常の相転移とは少し異なった性質をもっています．
おそらく，本当に長い時間スケールで見れば転移ではないのでしょうが，
通常の時間スケールで見る限り相転移としての性質を示します．

お礼

ガラスは難しい。

回答No.5

iyukihiro

殆ど解答は出てますので補足、と言うかついでに。
誰もが知っている物で過冷却液体が有るのご存知です？
それはガラスです。
ガラスは科学的には液体なんです。
その証拠に固体から液体になる温度（融点）が無いんです。（融点では温度一定で固体から液体に転移します。）
ただ、だんだんやわらかくなるだけです。
何かの時のウンチク用にでもどうぞ。

お礼

あれで液体ですか。不思議ですね。
ありがとうございます

回答No.3

siegmund

red_snake さんの液体－固体の話を例に取りましょう．
どの状態が安定かは自由エネルギー決まります．
自由エネルギーの低い方が安定です．
凝固点では液体状態の自由エネルギーと固体状態の自由エネルギーが等しくなっていて，
それより低温側では固体状態の自由エネルギーの方が低いのです．
そうすると，温度を凝固点より低い温度にすると必ず固体になりそうな気がします．
ただし，液体状態から固体状態にすんなり移れるとは限りません．
自由エネルギーの高さを標高のように考えて，
液体状態がいわば窪地，固体状態がもっと低い窪地になっているとしましょう．
窪地から窪地へは峠のようなところ(自由エネルギーが高い)を
乗り越えないとなりませんから，簡単には行けません．
こういう状態が過冷却状態です．

峠の高さは温度によります．
温度が十分低くなると，峠がつぶれてしまって液体状態から下り一方で固体状態に
移れることになります．
こうなるともはや過冷却状態は存在しません．
このような温度を過冷却の下限温度と称しています．

過冷却(の類)はいわゆる１次相転移でみられる現象です．

お礼

ほほぉぉ
ありがとうございます

ダイヤモンドも過冷却の状態ですか？

回答No.2

nozomi500

「伊東家の食卓」でもやっていましたが、ペットボトルの水を冷凍庫で静かに冷やすと過冷却になる。で、ショックを与えると、ピシピシ凍っていきました。

　空の上でも、冷えた水蒸気が「過飽和」になって、核になる塵にあたって水滴になりますが、さらに過冷却で凍らずに水滴のままでいるところにジェット機が飛んでくると、翼に凍りつきます。

冬山でも、吹雪の中で顔に凍りつくことがあります。

お礼

なるほど。
>冬山でも、吹雪の中で顔に凍りつくことがあります。
北海道で鼻水が凍るのもそれと同じなんでしょうかね。

ありがとうございます

回答No.1

red_snake

純物質の液体を冷却して凝固点に達すると、凝固が起こり、結晶が現れるはずである。しかし、現実には、分子やイオンが配列して結晶になるのに時間がかかり、その間に液体のまま温度が凝固点以下の状態になることがある。
状態変化の起こるべき温度以下になっても、高温の時の状態を保つ現象を過冷却という。
どの物質でも基本的には可能です。ただし例外があるのでそれは除きます。

お礼

ありがとうございます。
質問を増やさせてもらって良いでしょうか

過冷却状態になるのは純物質だけですか？
例えばエタノールと水の混合物の場合はどうでしょう。

純物質でも氷水というか、水に氷が入っていると
もうダメでしょうか？