¿Por qué el agua se congelaba casi instantáneamente al agitar una botella que pasó la noche afuera durante una noche helada?

Debido a la helada pronosticada anoche, ayer por la noche coloqué unas botellas de PET estándar de 1,5 l llenas hasta el 90 % con agua tibia del grifo (+60 °C) cerca de algunas verduras que quería proteger en mi jardín. La temperatura bajó a aproximadamente -3 ~ -4°C anoche.

Esta mañana fui a ver cómo iba. De las 10 botellas, una se llenó la mitad con agua, la otra mitad con hielo. En todas las demás botellas, el agua todavía estaba en estado líquido.

Así que decidí vaciarlos. Aquí viene lo interesante: destapo las botellas, las volteo boca abajo para vaciar el agua, y les doy una sacudida/giro para que se vacíe más rápido, y noté que algo de hielo no estaba bien estructurado (parecía más bien nieve derretida en realidad) se estaba formando casi instantáneamente. Curiosa, decidí darle una fuerte sacudida al siguiente mientras lo vaciaba, y bueno, esta mezcla de hielo que se formó en ese momento me recordó la textura de los batidos de frutas heladas que se pueden encontrar en verano.

¿Cómo explicas que el agua, cuando estaba quieta, era 100% líquida, y que cuando agito la botella, se estaba formando hielo en poco tiempo? Quiero decir, para mí, agitar = agregar energía, ¿entonces debería calentar el agua, no enfriarla hasta el punto en que se formará hielo? De este experimento supongo que no, y que en cambio, más o menos 'ayuda' a que la energía restante del agua a 0°C se disipe, formando hielo súper rápido. ¿Tengo razón en mi razonamiento?

Volveré a hacer el experimento la próxima noche, tratando de tomar una foto para agregarla aquí.

Edición 1: he colocado las mismas botellas, con la misma agua tibia del grifo en la misma posición que ayer. La próxima noche podría ser aún más fría... Intentaré tomar algunas fotos mañana por la mañana.

Edición 2: Bien, esta mañana no fue tan impresionante como ayer, pero sucedió de nuevo:

Comenzando a vaciar la botella, solo agua fría claraFig.1 Cuando comienza a vaciar la botella, solo sale agua fría y clara.

Temblando un poco, entonces

Las partículas de hielo se han adherido al interior de la botella a medida que se vaciaba.

Fig.2 Se han adherido partículas de hielo al interior de la botella mientras se vacía.

El hielo no estructurado se acumula en el sueloFig.3 Se ha acumulado hielo no estructurado en el suelo.

Es un experimento totalmente "salvaje" y descontrolado, por lo que no es tan impresionante como los videos vinculados por Philip a continuación.

Aquí están los videos de donde se extrajeron las capturas de pantalla:
https://vimeo.com/534346291
https://vimeo.com/534347556

También hice una pequeña observación adicional, pero probablemente se deba por completo a la casualidad: como ayer llené las botellas con agua tibia, estaban un poco despresurizadas esta mañana y tenían una especie de forma cóncava global. Los he sacudido todos antes de abrirlos; pero el agua se mantuvo clara. Solo una vez que los abrí y los vacié, se formó hielo.

¡Eres un verdadero científico!
Ya tienes una buena respuesta, así que solo diré que lo que viste es lo contrario de por qué no deberías intentar hervir agua en un microondas sin un palo: youtube.com/watch?v=2SzUrjfvWPU
considérate afortunado, ¡tuviste una experiencia genial!
Además de simplemente agitar las botellas, intente introducir una pajilla o un palo en el agua superenfriada, o dejar caer un grano de arena.

Respuestas (2)

¡Felicitaciones, me parece que acabas de observar agua sobreenfriada ! Hay muchos videos en YouTube que describen este fenómeno y lo explican mucho mejor de lo que yo podría, vea aquí un video de Veritasum donde se discute esto, por ejemplo.

La idea básica es esta: cuando el agua se congela, forma hielo, que es una bonita estructura cristalina regular. Sin embargo, los cristales de hielo necesitan un sitio de nucleación , que es un punto donde el cristal puede comenzar a formarse, antes de que realmente puedan comenzar a formarse. En situaciones normales, el agua suele tener algunas impurezas que pueden servir como sitios de nucleación, alrededor de los cuales el cristal comienza a crecer y el hielo comienza a formarse.

Sin embargo, si usa agua muy pura, no hay tales puntos de nucleación "naturales" y, por lo tanto, existe la posibilidad de que las moléculas de agua quieran formar hielo, pero no pueden hacerlo. Como resultado, los líquidos quedan atrapados en un estado "metaestable" muy por debajo de su punto de congelación, pero tal estado tiene una estabilidad precaria que puede alterarse fácilmente. Agitar la botella es una forma de alterar esta estabilidad, ya que le da a un par de moléculas de agua la oportunidad de alinearse de la manera correcta para comenzar el proceso de cristalización y, una vez hecho, es energéticamente favorable para que el sistema forme hielo. , por lo que todas las demás moléculas de agua saltan también. Como resultado, normalmente vería el cristal "creciendo" en una dirección hasta que toda el agua se convierta en hielo.

Por supuesto, no necesita sacudirlo, simplemente podría introducir un tipo diferente de punto de nucleación como se puede ver en este hermoso video y produciría los mismos resultados, o alternativamente, podría verter con mucho cuidado el agua sobreenfriada. encima de un cubo de hielo y formar una especie de escultura de hielo (ver este video de The Action Lab ).

Se necesita más energía para formar agua sobreenfriada que hielo, lo que significa que cuando el agua se convierte en hielo, en realidad libera algo de calor, por lo que el agua sobreenfriada es en realidad más fría que el hielo. Por cierto, este proceso también se observa en otros materiales, en particular el acetato de sodio que se utiliza para fabricar paquetes térmicos como este.

En realidad, nunca he logrado ver agua sobreenfriada, aunque lo he intentado varias veces. Estoy bastante sorprendido de que haya podido obtenerlo del agua del grifo, ya que generalmente requiere agua muy pura. ¡Espero que puedas reproducir el experimento!

Y para ustedes, jóvenes, esta es la premisa detrás del peligro que representa Ice-Nine en cierto libro de cierto autor.
Lo opuesto a esto es el agua sobrecalentada, que (desafortunadamente) observé en mi microondas el otro día: al calentar agua en un microondas, puede superar los 100 ° C sin hervir solo para estallar en una explosión gigante de agua cuando alcanza cierta temperatura. y/o está levemente perturbado (similar al OP que de repente se congela al agitarlo).
¡Muchas gracias por tu respuesta y los buenos enlaces! ¡Esa estructura de batido de granizado que ves en uno de los videos es exactamente lo que experimenté! Y el hecho de que el agua libere energía cuando se congela es una técnica bien conocida por los agricultores que cultivan fruta aquí, donde a menudo se pueden ver estas escenas durante las heladas primaverales, donde rocían los brotes jóvenes con agua para protegerlos: laliberte.ch/media/ imagen/35/zoom/20200326130952445.jpg
Configuro mi refrigerador justo por encima del punto de congelación y, por lo general, termino con mis botellas de agua superenfriadas (marginalmente). Y, por cierto, el agua sobreenfriada sabe absolutamente INCREÍBLE.
La liberación de calor se llama en.wikipedia.org/wiki/Recalescence . En mis días de fusión por láser pulsado de películas delgadas, podíamos obtener sobreenfriamientos de 100 K para, por ejemplo, silicio líquido. Sobrecalentar un sólido es más difícil, ya que la superficie se derretirá antes que la masa (menos enlaces), nucleando el líquido más fácilmente de lo que uno podría pensar.
Para un evento supuestamente relacionado, dejaré un PowerAde en el congelador durante una hora más o menos. Cuando lo saco, todavía está líquido. Pero después de un batido firme, se convierte en un aguanieve.
ahora que lo dices así, la molécula de agua parece una persona tímida que quiere decir algo pero espera si alguien más va a hacer lo mismo, hasta ese empujoncito y de repente todos se unen. lindo.
@DanHenderson Parece que hasta ahora no se ha congelado en tu garganta y causado un bloqueo ... ¿tal vez un arma homicida indetectable, como balas hechas de hielo?
Es interesante que digas que funciona mejor con agua pura , yo mismo lo he observado algunas veces con bebidas alcohólicas (alrededor de 5 % de alcohol), lo he puesto en el congelador para que se enfríe más rápido y luego lo he olvidado. Suelte la tapa y el gas que escapa crea los sitios de nucleación y congela el contenido al instante. En un ejemplo, no se congeló cuando se quitó la tapa, pero cuando alguien trató de "robar" el primer bocado de la botella, volcarla fue el catalizador y su crimen no pagó debido a la formación instantánea de hielo.
Genial, @Lefty, no sabía nada de esto. Para cualquier otra persona interesada, aquí hay un video genial de esto que sucede con una botella de cerveza . Creo que lo que se entiende por "pureza" del agua es simplemente la ausencia de sitios de nucleación como pedazos de polvo. No creo que las sales disueltas o el alcohol permitan la nucleación, por lo que no cuentan del todo. La cerveza en realidad podría ser mejor para sobreenfriar que el agua del grifo; Sospecho que es extremadamente limpio ya que pasa por un proceso de filtración antes de ser embotellado, lo que elimina la mayoría de las impurezas que podrían actuar como sitios de nucleación.
@Philip Creo que tienes razón en que de alguna manera es más fácil recrear usando cerveza, pero no estoy seguro de por qué. Podría ser la filtración como sugieres. Un gran truco de fiesta si puedes hacerlo con cierta consistencia. Solo lo he hecho por accidente como digo, tal vez 1 a 2 horas de tiempo de congelación para una botella de 500 ml.
Aquí hay otro enlace de video genial sobre esos calentadores de manos reutilizables y todo el fenómeno del sobreenfriamiento y la sobresaturación: youtu.be/Oj0plwm_NMs
Es interesante que el autor de la pregunta comenzara con agua caliente del grifo (su intención era mantener las plantas calientes, no querer sobreenfriar un líquido). Esto me recuerda al colegial Mpemba que descubrió que, en algunas circunstancias, el agua caliente puede congelarse antes que la misma cantidad de agua fría. Consulte Wikipedia: efecto Mpemba para obtener más información al respecto. Tal vez el autor de la pregunta descubrió un truco (es decir, a partir de agua caliente) que, por alguna razón, hace que sea más fácil obtener superenfriamiento, convirtiéndolos en "Mpemba 2".
Además de las impurezas sólidas, la cantidad (y los tipos) de gases disueltos en el agua antes del intento de sobreenfriamiento pueden ser muy importantes. Esto puede estar relacionado con por qué la cerveza funciona de manera diferente al agua. Agitar una botella cerrada donde se disuelven los gases puede cambiar la presión en la botella temporalmente. Por supuesto, cuando abre la botella, la presión cambia abruptamente a la del entorno circundante. En el caso del autor de la pregunta, había una presión más baja en la botella antes de abrirla. Sin embargo, también puede experimentar con agua sobreenfriada en un recipiente abierto (por ejemplo, un vaso sin tapa).

¿Quizás baja presión?

A medida que vacía la botella, inicialmente es difícil que entre aire (esa cosa lenta glug-glug-glug) y, por lo tanto, la presión de la bolsa de aire en la parte superior de la botella cae y cuando la presión cae, el agua se congela más rápido y más fácilmente. .

Además, su agua comenzó a calentarse, por lo que posiblemente haya menos oxígeno, lo que también hace que sea más fácil congelarse en las condiciones anteriores.

¿Por qué el agua se congelaba casi instantáneamente al agitar una botella que pasó la noche afuera durante una noche helada?
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