Alijäähtymisestä

tuttumies

Tuolla limsan jäätymiskeskustelussa tuli esille ajatusta, että alijäähtyminen vesiliuoksissa vaatisi jotenkin erikoiset olosuhteet. Toki siellä esim. nimimerkki "no en" kirjoitti paljon asiaa juuri tästä alijäähtymisestä.

Oikeastaan asia on siis päinvastoin: nesteen kitetyminen sulamispisteessään on poikkeuksellista. Sulamispistehän määritetäänkin normaalisti lämpötilaa nostamalla, jolloin mitään vastaavaa metastabiilia tilaa ei yleensä esiinny.

Se, ettei esim. järvissä juurikaan havaitse alijäähtymisilmiötä johtuu luonnon "poikkeusellisesta" olotilasta, eli järvissä on hiekanjyviä rannoilla ja kaikenlaisia kiteitä ilmassa ja veden pinnalla. Näitä ei esiinny suljetuissa muoviastioissa tai puhtaissa laboratorio-olosuhteissa. Niinpä alijäähtyminen ja kiteytymisen odottelu on joskus tuskallista. Lasin naarmuttaminen voi näissä tilanteissa antaa sopivan aloituskohdan.

Kerran olen ollut illalla täysin tyynen järven rannalla, kun uskoin nähneeni jäätymisen alkamisen. Hämärässä näytti seitinohut riite leviävän yli järvenselän. Ehkä siinä oli lievä alijäähtyminen ehtinyt tapahtua? Havainnonteon olosuhteet olivat toki epäedulliset minkään varman väitteen esittämiselle. Aamulla olikin sitten jo ihan normaalisti ensijäät järvessä.

Alijäähdynyt vesisade on sitten jo melko jokovuotinen ilmiö, luulisin.

3

667

Vastaukset

  • Nesteen kiteytymättömyys alle sulamispisteen on metastabiili tila, joka voi olla arkikielessä aika stabiili. Alijäähtynyt vesi muovipullossa voi kestää heiluttelua, jopa ravistelua. Metastabiili neste, jonka lasi muodostaa, kestää melkein mitä vain kiteytymättä, niinkuin puhtaasta sokerista tehtävissä oleva siirappi. Siis kynnys kiteytymiseen voi olla melko korkeakin. Lähinnä kait siinä on kyse siitä, ettei riittävän suurta määrää molekyylejä järjesty ensimmäiseksi kiteeksi, joka kyllä sitten lähtisi "itsekseen" kasvamaan.
    http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleation

    Tietyssä tilanteessa samassa liuoksessa voi olla useampiakin faasimuutoksia metastabiilissa tilassa. Juuri kylmissä, alijäähtyneissä virvoitusjuomissa on korkkia avattaessa yksi metastabiiliustilanne veden jäätymisen ja toinen kaasun liuoksesta vapautumisen suhteen. Muodostuvat jääkiteet voivat toimia kuplien syntymiskeskuksina, niinkuin kuplatkin voivat toimia kiteiden syntymiskeskuksina.
    Muistan tapauksen, milloin lasiin muodostui jäävaahtokuorrutus kaadettaessa siihen pakastimesta otettua limsaa, joka oli pullossa ihan nesteenä avaamisen jälkeenkin. Muistaakseni se sitten hyhmettyi koko pullollinenkin. Melko vaikeasti ennustettavia tai toistettava ilmiötä, luulisin?

  • Asiaa tuli joskus mietittyä ihan kokeiden kanssa, joten ehkä on hyvä laittaa linkki ja kopio asiasta:
    http://groups.google.fi/group/sfnet.tiede.kemia/browse_thread/thread/136414c82552bb27/f201b2e84ab854e4?hl=fi&lnk=gst&q=Risto Jääskeläinen#f201b2e84ab854e4
    Tapauksia:
    Olvin Jaffa Classic 1,5l pullo parvekkeella. Pakastinlokerossa
    aikaansaatu jää näyttää lisääntyvän, kun parvekkeella lämpötila laskee
    0:sta miinus yhteen (tarkkuus -1ºC). Näin limsan sulamispisteeksi
    saadaan -1ºC ( -1ºC)
    Olvin Jaffa Classic, avaamaton 1,5 l pullo, pidetty pakkasen puolella
    olevalla lasitetulla parvekkeella yön yli. Mittarissa -4 ºC ( -1ºC)
    Pulloa ravistellaan käsin. Pullon sisälle syntyy jäähyhmää yli puolen
    pullon tilavuuteen. Sama pullo pidettynä jääkaapissa, otetaan esille
    ja sekoitetaan ja viedään pakkasen puolella olevalle parvekkeelle.
    Pullossa on jäähyhmää n. 2 cm kerros, kun se varovasti avataan.
    Hiilidioksia tulee hyvin vähän äänestä päätellen, joitakin kuplia
    nousee. Jään lisämuodostusta ei havaita. Limsan maku on normaalin
    hiilihappoinen maistettaessa.

    18.1.2004
    Olvin Classic Jaffa 1 litran avaamattomassa muovipullossa on ollut yön
    yli parvekkeella, jossa on ollut riittävän kylmää (n. -3 astetta),
    että ravistettaessa aamulla vesi jäätyy äkisti muovipullossa. Limsat
    (Jaffa ja Pommac Light) eivät jäädy ravisteltaessa.
    Klo 14, parvekkeen lämpötila -1 astetta, edelleen jäätymätön
    limsapullo putoaa metrin korkeudesta betonille. Nostettaessa pullo
    vaikuttaa ehjältä, mutta pintaan nousee parin senttimetrin kerros
    jäähyhmää.
    Klo. 15 edellisen Jaffapullon kanssa parvekkeella ollut 1,5l avaamaton
    PommacLight-pullo pudotetaan betoniparvekkeelle lappeelleen n. 1 m
    korkeudesta. Räsähdys on äänekäs, pullossa näkyy puoleen väliin
    jääsälöjä/lehtiä, jotka tiivistyvät kavennuksen korkuiseksi (n. 1/5
    pullosta, n. 10 cm) korkuiseksi hyhmäksi.

    Useista yrityksistä huolimatta en koskaan ole havainnut jään
    lisääntyvän avattaessa pulloa, jossa on jo jäätä pinnalla, vaikka tuon
    jään määrä olisi vain muutaman mg -suuruusluokkaa, jolloin vähäinenkin
    lisääntyminen olisi havaittavissa. Jaffassa vähäiset jään lisäykset
    jäisivät varmaan huomaamattakin, mutta sama juttu myös kirkkailla
    juomilla (Pommac Light, Olvin ykkönen, Olvin Vichy).

    Ehdotus koejärjestelyksi.
    Välineitä: lämpömittareita, tyhjä muovinen limpsapullo, avaamattomia
    kirkkaita muovisia Olvin Vichy pulloja (vähintään kaksi, mieluummin
    enemmän), pakastin, jääkaappi, lämpölaukku, pakkausstyroksia.

    I) Sulamispisteen arviointi
    Jäädytetään vaikka pakastimessa yksi juomapullo (mieluummin jäätä vain
    osittain, alle 8h). Laitetaan pullo mittarin kera hyvin
    lämpöeristettyyn paikkaan ja havainnoidaan lämpötila, kun jää on
    alkanut sulaa, mutta ei ole vielä kokonaan sulanut. Jos tätä vaihetta
    ei tehdä, käyteään arvona - 1 ºC.

    II) Jäähdytetään pullot n. 2-4 astetta alle jäätymispisteen ja
    ravistellaan niitä. Jos jääkaapin teho ei riitä, eikä sopivaa
    ulkotilaa ole käytettävissä, käytetään lämpölaukkua mittareineen
    pakastimessa. Vertailun vuoksi samassa tilassa tulee olla yksi
    vedellä täytetty pullo. Jos siihen ei synny jäätä edes pulloa
    ravistelemalla, jäähdytysaikaa on lisättävä. Juomien esijäähdytys
    nopeuttaa koetta. Ravistellaan kutakin pulloa. Tehdään havaintoja n.
    minuutin ajan.
    Ne pullot, joissa ei esiinny olomuodon muutoksia, pudotetaan n. metrin
    korkeudesta lattialle.
    Tehdään havainnot.

    III) Otetaan pullo, jossa on vähän hyhmämäistä jäätä. Sekoitetaan ja
    asetetaan pariksi minuutiksi kylmään, mieluummin -1 ºC. Tarkistetaan,
    että pullossa on hyhmää edelleen ja jos on, avataan pullo varovasti.
    Seurataan jään määrän muutosta. Kirjataan havainnot. Maistetaan
    juomaa hiilidioksidin toteamiseksi.

    Kysymyksiä:
    1) Hiilidioksidimäärän muutoksen vaikutus avaamattoman juomapullon
    jäätymiseen?
    2) Paineen muutoksen vaikutus juoman jäätymiseen avaamattomassa
    pullossa?
    3) Mikä tunnettu ilmiö voi selittää sen, että jäätyminen tapahtuu alle
    sulamispisteen lämpötilassa?
    4) Miten pullon avaaminen vaikuttaa jään määrään?
    5) Jos juoma jäätyy pulloa avattaessa, mikä on todennäköisin selitys?
    6) Kumpi jäätyy helpommin ravistettaessa, vesi vai
    hiilidioksidipitoinen juoma?
    7) Miten suhtaudut väitteeseen, että nesteessä oleva kaasu estää
    alijäähtymistä?
    8) Miten kommentoit alla olevaa selitystä avatun juomapullon
    jäätymisestä:
    http://journals.iranscience.net:800/www.newscientist.com/www.newscien...
    [The case of dissolved carbon dioxide is particularly interesting,
    because the gas is forced into water under pressure. When the pressure
    is released by opening the bottle, the gas comes out, making little
    bubbles, and eventually leaving flat water. Sealed bottles of
    carbonated water can be cooled below 0 °C and remain liquid. When the
    CO2 comes out on opening, the water is able to freeze, giving the
    effect you describe.
    John Swain , Department of Physics Northeastern University Boston
    Massachusetts]
    Käännös: liuenneen hiilidioksidin tapaus on erikoisen kiinnostava,
    koska kaasu on pakotettu veteen paineella. Kun paine poistuu pulloa
    avattaessa, kaasu pääsee pois, tehden pieniä kuplia ja jättäen
    jälkeensä lopulta pelkää vettä. Suljetussa pullossa hiilihapotettu
    vesi voi jäähtyä alle 0 °C ja pysyä nesteenä. Kun hiilidioksidi
    poistuu avattaessa, vesi on jäätymiskykyistä, tuottaen kuvailemasi
    ilmiön.

    9) Miten termodynaamisesti asian voisi laskea, perustella?
    10) Miksi monet uskovat kohdan 8 tapaisiin selityksiin?
    11) Olisiko olennaisempaa kysyä, miksi juoma ei ole jäässä
    sulamispisteen alapuolelle jäähdytetyssä pullossa, kuin kysyä, miksi
    se jäätyi avattaessa?

    Huom! Jos aiot itse tehdä kokeet, älä vielä lue mallivastauksia.

    Mallivastauksia. Huomaa, että nämä perustuvat havaintoihini. Jos
    saat erilaiset havainnot, ovat johtopäätöksesikin mahdollisesti
    erilaiset. Havaintovirheet ovat mahdollisia, johtopäätösvirheet
    kuitenkin todennäköisempiä.

    1) Ei vaikuta merkittävästi, kun hiilidioksidikonsentraatio ei
    havaittavasti muutu. Tämä joutuu päättelemään, ei voi mitata tässä
    koejärjestelyssä.

    2) Paine pysyy lähes vakiona, joten sen muutos ei vaikuta olennaisesti
    jäätymiseen. Paineen mittaaminen olisi mahdollista, miten?

    3) Alijäähtyminen

    4) Avaaminen ei vaikuta jään määrään havaittavasti. Näin se ei voi
    olla ainoa kausaalinen syy kohtalaisen jäämäärän syntyyn pulloa
    avattaessakaan.

    5) Alijäähtyminen, joka rikkoutuu avaamisen aiheuttamasta häiriöstä
    (pienistä kuplista).

    6) Havaintojen mukaan vesi. Hiilidioksidipitoisen juoman
    alijäähtymistila vaikuttaa melko kestävältä, ainakin ravistelun
    suhteen.

    7) Ei päde ainakaan hiilidioksidille.

    8) NewScientistin nettisivu ei täytä tieteellisen julkaisu kriteerejä.
    Annettu selitys on mitä todennäköisimmin paikkansapitämätön
    kokonaisuus, joskin siinä on yhdistelty tosia väitteitä. Esim. suurin
    osa hiilidioksidista jää edelleen nesteeseen, vaikka pullo
    avattaisiin. Pakkasen puolella olevan pullon hiilidioksidin paine on
    paljon vähäisempi kuin huoneenlämpöisen.

    9) Ottamalla huomioon liuenneen hiilidioksin ja kaasumaisen
    hiilidioksidin vapaan energian eron, kaasuuntuvan hiilidioksidin
    määrän ja ulkoilman paineen sekä veden sulamispisteen
    paineriippuvuuden. Näitä käyttäen voi osoittaa, ettei ainakaan nuo
    ilmiöt (paineen muutos, hiilidioksidin kaasuuntuminen, pV-työ) voi
    olla merkittäviä selittäviä tekijöitä. Jos mittaa nesteen tarkan
    lämpötilan ennen jäätymistä ja sen jälkeen, punnitsee syntyneen jään
    määrän ja huomioi niiden lämpökapasiteetit ja muodostumisenergiat,
    voi laskea, kuinka paljon alijäähtyminen selittää ilmiöstä ja mitä jää
    muiden tekijöiden osalle.

    10) Kyse on paljolti psykologisista tekijöistä. Ihminen mm. uskoo
    sujuvia selityksiä. Toisekseen ne tapaukset, joissa jäätä ei muodostu
    alijäähtyneeseen juomaan edes avattaessa ja ne tapaukset, joissa
    alijäähtynyt neste on jo jäätynyt, eivät vaikuta "ihmeellisiltä",
    eivätkä kiinnitä huomiota. Avaamisella ja jäätymisellä näyttää olevan
    kausaalinen syy (ja niin onkin), mutta alijäähtymistä ei puolestaan
    havaita.

    11) Kyllä.

    Lainausoikeudet: Koska olen hieman nähnyt yllä olevaan vaivaa, toivon,
    että lainattaessa edellä olevaa mainitaan myös lähde. Saa siis
    lainata.

    Risto Jääskeläinen, FK

    • kerrankin omatoimista kokeellista toimintaa,
      eikä uskomista nettitohtorien linkkeihin!


suomi24-logo

Osallistu keskusteluun

Ketjusta on poistettu 0 sääntöjenvastaista viestiä.