Si golpeo una botella llena de agua sobreenfriada contra una superficie dura, los cristales de hielo se forman de arriba a abajo:
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En YouTube hay vídeos que muestran este efecto: 1 ; 2 ; 3 ; 4 ; 5 .
Pregunta: ¿Por qué los cristales de hielo no empiezan desde el fondo cuando se aplica la fuerza al fondo?
El agua está sobreenfriada, es decir, por debajo de 0ºC. Así que la densidad del agua no es probablemente el problema. También es poco probable que la presión hidrostática sea significativa para una botella pequeña. Si hubiera lugares de nucleación, el superenfriamiento no habría sido posible.
La cuestión clave es la necesidad de perturbar el agua dándole un "golpe" para congelarla. Esta perturbación sería importante en la superficie, donde hay una superficie abierta. Esa es la razón más probable
Esta es una hipótesis decente. Sería interesante ver si al eliminar el aire de la botella cambia la forma del hielo. Una cosa es que eliminar el aire significaría que hay menos espacio para la expansión, si es que eso es un factor. A una temperatura inferior a -20C o así, parece que la densidad de el agua sobreenfriada es igual a la del hielo .
@Nat El artículo referido en su comentario a la pregunta parece reforzar esta respuesta: "...eliminando el lugar primario de nucleación del hielo en la interfaz agua/aire. El agua sobreenfriada puede soportar perturbaciones vibratorias y térmicas con todos los agentes de sellado, e incluso perturbaciones ultrasónicas si se sella con alcoholes."
Tres posibilidades:
Una cristalización no observada haría un cristal de hielo con menor densidad que el agua circundante, que flotaría en la parte superior del recipiente; supongo que que eso no está ocurriendo aquí.
Hay otra posibilidad. Cuando he hecho este experimento yo mismo, he observado que se forma hielo en el tapón. No he necesitado aplicar una fuerte sacudida para conseguir la formación de hielo, simplemente he tenido que inclinar la botella para que el agua sobreenfriada entrara en contacto con el cristal de hielo adherido a la parte superior del tapón. No podemos saberlo sin ver el tapón, pero creo que es posible que el agua de la botella se congele por el contacto con los cristales de hielo del tapón, y no por el choque.
La onda expansiva va de abajo hacia arriba y, al llegar a la superficie, rebotará hacia el fondo debido al cambio de medio. Yo diría que en el momento del rebote la primera y la segunda onda de choque producen una región de muy baja densidad donde los cristales pueden empezar a formarse. Una vez iniciada es sólo cuestión de tiempo que los cristales crezcan.
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¿Hay aire en la botella?
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Sí, creo. Como el agua destilada comprada en el supermercado .
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¡Hola y bienvenido a Physics SE! ¿Sucede lo mismo cuando la botella está completamente llena? Si es así, yo culparía a la forma de la botella. Básicamente, la energía procedente del choque podría estar "concentrada" hacia la parte superior de la botella debido a la geometría de la misma. Si no es así, culpo a la interfaz agua/aire: probablemente es energéticamente menos costoso para un cristal de hielo empezar a crecer cerca de la interfaz agua/aire, o las fluctuaciones de densidad son mayores allí.
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Este artículo atribuye la congelación a " mecanismos de nucleación heterogénea ", y luego describe cómo pudieron evitar que el agua sobreenfriada se congelara sellando la interfaz agua/aire con fluidos inmiscibles.
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Habría pensado que el comentario obvio que esto merecía era diablos, el agua más fría se hunde, el agua más caliente sube, por lo que debería estar cristalizando de abajo hacia arriba, porque el agua más fría debería haberse hundido hasta el fondo . Pero reflexionando, supongo que la menor densidad del agua fría, por debajo de los 4 grados C, significa que el agua fría realmente sube ¡! No dices lo que significa "superenfriado" aquí, pero no se estaba congelando hasta que lo golpeaste. Así que yo diría que es bastante probable que el gradiente de temperatura previo al golpe se haya invertido con respecto a lo que cabría esperar, de modo que estaba más frío en la parte superior y, por tanto, se congeló desde arriba.
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Mi intuición es que la superficie dura no es realmente relevante. Más bien, cuando se inicia la botella en un movimiento hacia arriba, y de repente se convierte en un movimiento hacia abajo con el fin de volver a la mesa, el agua golpea la tapa de la botella y que causa el efecto. Sin embargo, debería ser fácil comprobar si la superficie importa: basta con hacer el mismo movimiento sin superficie.