A pillanatok alatt megfagyó víz titka

Kurt Vonnegut a Macskabölcső című regényében ír a szuperjégtől, ami bármekkora tömegű vizet képes egy szempillantás alatt jéggé fagyasztani. Ilyen persze nincs a természetben, de hasonló jelenséget elő lehet idézni egy megfelelően túlhűtött folyadékkal.

Túlhűtésnek azt nevezzük, ha egy folyadékot a fagyáspontja alá hűtünk anélkül, hogy megfagyna. Ilyenkor a folyadék metastabil állapotba kerül, és kis kristálycsírák jelennek meg benne. A túlhűtött folyadékban mechanikai ráhatással (ütéssel vagy rázással) elindítható a kristályosodás, ami nagyon gyors lehet, és a folyadék a szemünk láttára fagyhat meg.

A jelenségről Härtlein Károly, a BME Fizika Intézetének mérnöktanára küldött egy videót szerkesztőségünkbe. „Még január közepén kitettem az érdi házunk teraszán lévő asztalra csapvizet hat darab másfél literes palackban” – írja Härtlein a kísérletéről. „Reggelente kitekintettem, először a hőmérőre, aztán ha kedvezőnek ítéltem a hőmérsékletet, akkor a palackokra is. Március 9-ig kellett várnom, akkor reggel azt láttam, hogy mínusz hat Celsius-fokot mutat a hőmérő, a hat palackból háromban megfagyott a víz, míg másik háromban nem. Rögtön kamerával felszerelkezve mentünk kísérletezni, a fiam volt az operatőr. A videón jobban tettem volna ha csöndben maradok, izgatottságomban olyanokat mondtam, amiket egy tanórán sohasem mondanék. Ettől függetlenül szívesen nyújtom át, hogy láthassa mindenki.”

A víz speciális körülmények között, lassú hűtés ás rázkódásmentes állapotban hajlamos túlhűtött állapotba kerülni. Ekkor még akár -6 fokon sem indul meg a fagyás, de megfelelő laboratóriumi körülmények között akár -20 fokon is folyékonyan lehet tartani a vizet. Amikor a mechanikai hatásra megkezdődik a kristályosodás, fagyás közben megnő a folyadék hőmérséklete, körülbelül nulla fokra – ennek oka a fázisátmenettel járó energiaváltozás (amikor a folyadék megfagy, olvadáshőt kell leadnia). A videón látszik, hogy a palackozott vizek nem betonkeményre, hanem kicsit kásásra fagynak, mivel csak annyi víz fagy meg, amennyi megfagyasztásához elegendő energiát vontunk el a túlhűtéssel még folyadék állapotban.

Túlhűtött állapot sok helyen megfigyelhető a természetben, például a légkörben, a jégkristályok képződése előtt, amikor a vízcseppek még jóval nulla Celsius-fok alatt is folyékonyak, de ha megfelelő hatás éri őket, azonnal megfagynak. Ezek a felhők veszélyesek a repülőgépekre, a túlhűtött cseppek gyorsan ráfagynak a szárnyakra és a repülőgéptestre, veszélyes jegesedést okozkhatnak.

(A videó nagyobb méretben is letölthető innen.)