审核专家：吴宝俊
理论物理博士
每年冬天，“泼水成冰”的视频和照片都火爆网络，各地有条件的小伙伴纷纷效仿，甚至还有人专门去漠河打卡。
1月6日，强劲的冷空气已抵达北京，夜间至7日早晨最低气温在-20℃上下。在北京的小伙伴们不用远赴东北，在家门口就可以真实体验一把泼水成冰啦！
北京日报客户端记者在北京体验泼水成冰
来源 | 北京日报客户端
这份冬日限定快乐，背后到底蕴藏着什么样的原理呢？我们要如何才能get到“泼水成冰”的小技巧呢？
要想真正了解“泼水成冰”的原理，首先要对水的三种状态有所认识。水存在的方式是气态、液态和固态，彼此之间相互转化。水要想变成冰，要么是水凝结成冰，要么是水蒸气凝华成冰，两者都伴随着能量的变化。我们经常在短视频中看到的“泼水成冰”的过程实际上就存在着这两种物理现象。一种是泼洒出去的热水形成无数的小水滴，小水滴在低温下形成小冰晶。可以说这是真正的“泼水结冰”，它的形成需要满足“过冷水滴”和环境温度达到-40℃两大重要条件。“过冷水滴”是指水结冰时，水分子的排列由不规则变为正六边形，水分子要想结冰，必须附着在一些杂质上才可以，因此完全不含杂质的纯净水是很难成为冰晶的。当温度低于零摄氏度且不是太低时，纯净水可能仍然不会结冰，此时也就形成了“过冷水滴”。水滴越小、越纯，冷却的可能性越大。大气中存在着很多直径小于100微米的液滴，它们即使在零下三十多摄氏度的低温条件下依然保持液态。当飞机尾气所含的杂质遇到这些大气中的 “过冷水滴”，就会迅速结冰，因此也出现了日常生活中经常见到的“飞机拉线”。 -40℃则是“过冷水滴”瞬间成冰的临界温度，当温度到达这个数值，水滴会产生两个物理变化，在低温条件下开始冻结并体积增大，同时释放潜热，随即水滴会由外向内逐渐冻结。因此当气温低、水滴小时，水滴的结冰速度就越快。第二种是泼洒出去的部分水滴首先汽化成为水蒸气，细小水蒸气凝华成冰晶或者凝结成小水滴，可以称作“水蒸气成冰”。当我们将水泼出去的瞬间，水处于高速运动状态，在空气阻力以及惯性离心力的作用下，水会克服表面张力并形成大量的小液滴。这一变化瞬间增加了水的表面积，热量因此迅速流失并在此过程中会产生大量的水蒸气。这些水蒸气遇到冷空气中迅速饱和，形成无数的细小的冰晶，我们所见的“泼水成冰”现象就此显现。 而文章开头的“记者在北京体验泼水成冰”的视频就是第二种“水蒸气成冰”。我们在视频中看到的白茫茫的一片，是水蒸气遇低温后液化而成的小水滴，如同寒冷冬天在室外说话或呼吸时呼出的白气一样。为了揭开“泼水成冰”的奥秘，有实验者在零下36℃的黑龙江做了三种实验，一是把一杯10℃的水泼向天空，结果是水在半空没有结冰，也没有惊艳的视觉效果。二是实验者把37℃的水，泼向空中，此时出现一些水汽，可是此时依旧没有出现惊艳的“泼水成冰”效果。三是使用90℃的热水泼向空中，直到这次，热水划成弧线，形成完美的“泼水成冰”效果。
可见在“泼水成冰”中，热水有着神奇的魔力，当低温环境和滚烫的热水相配合才可以出现亮眼的“泼水成冰”。之前我们已经解释过在“泼水成冰”中，水蒸气在极端寒冷空气里凝结成水滴或者凝华成小冰晶，热水明显比凉水更容易形成水蒸气。
此外，“泼水成冰”的朦胧美主要在于大量足够多的细小水滴，当温度高时水的表面张力小，更容易形成小水滴，因此当较高温度的水泼向空中才能出现惊艳的效果。
来源 | 网络
由于“泼水成冰”中的试验者大多用到了热水，因此也有人认为这与姆潘巴效应有关。这是一种发现于1963年的现象。当时，一名叫埃拉斯托·姆潘巴的学生在做冷冻食品的课堂上，往热牛奶里加了糖，并准备放进冰箱里做冰淇淋。后来等他打开冰箱后，他惊奇的发现只有自己的杯子里变成了美味的冰淇淋，而其他同学用冷水做的还没有结冰。热水比冷水先结冰这一现象引发了姆潘巴的好奇，他把这一发现告诉了告诉达累斯萨拉姆大学物理学教授奥斯本博士，为了求证真实性，奥斯本又进行了一次实验，结果符合姆潘巴的描述，证实了热水在低温下比冷水结冰快。这是一种违反人们日常经验的现象，对于这一问题科学家们还在不断探寻。但姆潘巴现象或许这也可以解释“泼水成冰”为什么必须用热水，因为热水更容易结冰。 想必很多在北京的小伙伴已经按捺不住了，想要亲自尝试一下了。不过要想成功get“泼水成冰”，还要具备其他几个要素：如果你也想体会真正的“泼水成冰”的快乐的话，那不妨去到气温在-40℃左右的地方。那样，泼出去的小水滴都会形成小冰晶，否则泼出去的水还是以“水”的形态落在地上。最后，再强调一句，体验需谨慎，注意所在环境是否达到泼水成冰的条件，注意以上所说的几个要素，避免被烫！这样才能愉快地玩耍并拍出“称霸”朋友圈的好图片！
原文标题：-17℃，北京的小伙伴们也可以拥有“泼水成冰”的快乐啦！
原文根据天气变化略有改动。
来源：数字北京科学中心
编辑：zhenni
近期热门文章Top10