零下五度不結冰的冰箱是什麼原理？

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湖南衛視2017年3月3日的《天天向上》，主咖是董阿姨和李玟，董阿姨展示了一款格力冰箱，當一杯水放進去，開啟零下五度低溫，水不會結冰，當主持人將水移出冰箱，居然一秒就結冰了。看到這一幕，全場響起一片驚呼，大家都感到不可思議。
我是學暖通的，雖然不是學製冷的，但是也學過相關課程，作為一個畢業多年的學渣，我怎麼都想不出這個過程，希望有人能幫忙分析解答一下。

就是個噱頭。

杯子里的水是基本上沒什麼雜質的，也就是所謂的缺少凝結核，所以才能一直保持液態。這種水叫過冷水。這個時候只要給它一個較強的振動，或者用手指稍微沾一下，就能迅速結冰的。微博上很多「一秒結冰」的動圖小魔術也是基於這個原理。

只要水是一樣的，環境夠乾淨，你用什麼冰箱凍出來的水都是這樣的，跟格力不格力半毛錢關係都沒有(′??_??)

這期節目明顯就是偏硬的軟廣，不僅僅展示了格力的冰箱，還展示了洗衣機等電器，主持人也是竭盡溢美之詞，高呼太神奇了。

小時候看過動畫片《海爾兄弟》的朋友，可能還有些模糊印象，在第33集中：

一行人在極地被湖水攔住去路，克魯德提議游泳渡河，但被海爾哥否決。

聰明的海爾哥發現，原來湖水是過冷水

於是一行人奮力往湖水中扔擲石塊

於是湖面很快結了一層薄冰，一行人順利滑行過去。

脫險後，克魯德以為海爾哥扔的是「魔石」，讓水結冰，但海爾哥解釋道：

水到了零度以下還不結冰，就叫做過冷水，這時候你扔進幾塊石頭，就會立刻結冰。

再解釋一下，因為純水中沒有雜質，缺少凝結核，因此在0℃以下仍會保持脆弱的平衡，保持液態。而加入凝結核或者進行擾動，便會打破這種脆弱平衡，使得水變冰。有些魔術師利用這一點，達到了可樂或礦泉水瞬間冷凍的效果。

過冷水的原理及用途_趣味科普人文_科技_bilibili_嗶哩嗶哩
【youtube】各種玩過冷水CRAZY INSTANT WATER TO ICE MAGIC TRICK!! - Yo
水瞬間結冰，原來不是傳說...._機械_科技_bilibili_嗶哩嗶哩

所以真的沒什麼神奇的，隨便一台冰箱都能辦到，大家也可以拿家裡冰箱試一試。

所以這個廣告，還是讓友商海爾來作比較合適

目前最高票提到了過冷水這個現象，但是卻沒有說是什麼原理。既然問題是什麼原理，那我就來回答一下什麼原理。

從水-&>冰，本質上來說是一種相變。相變有很多種，包括連續的二級相變（也就是landau相變和那個非常著名的自發性對稱破缺，以及水變成冰的一級相變。

從圖上可以看出來，這兩種相變最主要的區別就是一級相變的不對稱性。在這種不對稱性下面，自然而然的就會出現一個凸出的能壘，只有越過這個能壘才能完成相變。

就具體的來說，對於水結冰而言，這個能壘就是小塊的結晶過程。

這樣的「初始」能量對應地，往往就是一個「結晶核」。因此，一級相變的一個理論就叫「成核」(Nucleation)理論。

如果沒有「成核」所需的能量，系統可以處在一個亞穩態 (metastable state)。一個的典型例子就是過冷液體。比如說，水在大氣壓下的冰點是0度。但是，如果是非常純凈的水，沒有任何雜質，通過緩慢降溫，我們可以在零度以下，仍然得到液態的水。這種水，嚴格講不處在熱力學的平衡態。但是，只要沒有外界的擾動，過冷水可以穩定存在。

上圖就是水結冰時候原子的自由能圖。注意橫坐標的單位是每原子的自由能，就結晶而言，剛開始結晶的過程中每個原子的自由能上升，這個過程被我們稱之為是接近過程，而過了臨屆半徑 $r_c$ 之後，被稱是成長階段，這個時候結晶核越大自然自由能越低，因此體系會迅速的結冰。

可以想像這是一個小球，從原點出發，我們要給他一個初始的動力，才能讓小球越過能壘然後迅速下落，下落就是結冰的過程。如果小球沒有這個動力，那麼就不能結冰，這也就是為什麼董阿姨冰箱里的水安靜的時候不會結冰，而一旦收到擾動就會迅速的結冰，這個擾動比方說輕微的晃一下，就相當於給了這杯水一定的能量讓它能夠越過這個能壘結冰。

更專業的表述下，出現這種情況是由於結晶體的表面能和溶質的化學勢共同的作用下完成的，如圖上的紅線和藍線所示。結晶核體積越大，表面積越大，自然表面能越大，自由能與表面積 $4pi r^2$ 成正比。而體積的變大，卻會讓溶液的化學勢減少，在溶液中就是自由能的減少，表現在自由能與 $frac{4}{3}pi r^3$ 成負相關。因此溶液整體的自由能就可以表達為 $G=ar^2-br^3$ ，存在一個局部極大值的能壘也就不奇怪了。

過冷水以及其背後所代表的玻璃態相變的研究，是二十一世紀初的時候統計物理的一個研究熱點，不只是水，很多東西都會出現類似於水一樣的過冷態。比方說冷卻中的玻璃，而這種性質也被廣泛運用於玻璃的吹制過程。這也是這個名字的由來

不要小看眼前的水，這背後所隱藏的物理都有巨大的玄機。

參考文獻：

吳建瀾.熱力學講義

瀉藥……

這就是熱力學常識，在一定壓力下，低於冰點不結冰的，叫過冷水，高於沸點不沸騰的，叫過熱水。在水極為純凈下，沒有結冰元兇之一晶核，也就是凝結核，就能繼續保持不結冰的脆弱狀態。

過熱水高中化學應該是要提及的，試卷中實驗題里的填空，比如做實驗時丟進去幾個破瓷片，是幹嘛的？答就是害怕過熱水突然間暴沸。過冷水危害也是常說的，雲層中有過冷水，當飛機這個大凝結核經過時，瞬間結冰，嚴重危及航空安全。

水越純凈，能保持不結冰的溫度越低。

看了一下各位的答案，基本上是一面倒，說得也都很有道理。非常純的水不易發生非均質成核，故而可以得到很高的過冷度。

不過大家似乎都忽略了另外一個物理量，那就是冷卻速率！其實這個物理量可以是用來給冰箱做廣告的。

算是給格力洗地了，請董大姐讓公關部私下聯繫支付我洗地費。

我為在場觀眾的智商受到侮辱表示非常憤怒!

一個過冷水就可以忽悠人，海爾兄弟完全可以做個零下二十度不結冰的冰箱，然後忽悠董阿姨。

2011年冬天，我和朋友自駕游去了魁北克，汽車停在露天停車場。

第二天一早乘車出門的時候，朋友上車後拿起副駕上的純凈水只喝了一口，就看到水迅速結冰，再也不能喝了。

請問，我的車，是什麼牌子的？

PS :那個傢伙後來又開了一瓶，又是剛喝一口就凍上了，被我嘲笑了一年嘴臟。（過冷水遇雜質結冰）（再給大家提供一個玩法，抓住過冷水的塑料瓶，用力一捏，就可以表演寒冰綿掌了，那天我們把車上的十幾瓶水都用來練這功夫了）

就是過冷水了。我還找到了原文。。。留意到最下面那句這只是普通的純淨水了嗎？大丈夫的話換杯普通的礦泉水試一下。

在這裡，我有兩點總結：

1.怪不得讀書無用論甚囂塵上，原來，要賺錢，初中畢業就夠了。

2.怪不得詐騙傳銷屢禁不止，民眾知識水平還處在並將長期處在社會主義初級階段。

這期節目是在為海爾作宣傳吧……

這和冰箱關係不大，液相變成固相要有形核，震蕩，打開可樂的一瞬間壓力變化，灰塵落在杯子里都行。如果純凈度比較高靜置的話你家冰箱也可以，我數次圖快直接冰凍水，打開瓶子一瞬間結冰了。

修改下：

感謝@醬小醬指出問題，她是對的。

如果做物理，對於亞穩態和「中間態」，確實要區分清楚。

室溫純水中理論上存在各 $10^{-7}mol/L$ 的 $H^+$ 和 $OH^-$ ，剩下的以 $H_2O$ 形式存在。離子態對應圖１中的狀態１，分子態對應圖１中的狀態３．嚴格的說，１叫做亞穩態，２的狀態是由１到３的必經過程，計算化學上叫做「中間態」或者「過渡態」。

「過渡態」的能量高度很重要，決定著化學反應快慢。而１，３的能量高度，決定著最終平衡時，處於１和３的粒子的比例。

按照這個思路，知道水中粒子態的比例，就能知道１和３的相對高度。

這個例子可以推廣到所有的化學平衡體系。

以下原文：

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昨天給女朋友解釋了一下，今天又碰到這個問題。

如果有人能把一個雞蛋立在桌子上，雞蛋會有「倒下」的衝動，但發現向各個方向的支持力是相同的，合力為０，所以暫時保持穩定。一旦遇到擾動，在某一方向出現了薄弱點，它就倒掉了。

在純凈的過冷水中，水分子很想結成冰，但每個水分子周圍的環境都是相同的，誰都不開這個頭，大家維持在一個『亞穩態』。一旦受到擾動，某些水分子周圍環境變得不對稱了，它就向某一方向演化，鏈式反應就開始了，巨大的冰晶就長成了。

同樣的，我女朋友在超市遇到幾個差不多的產品，不停的比較來比較去，焦慮的很的時候，只要我一不耐煩，給她一個擾動，她就有了最優解。綜合分析了各個方向的拉扯，包括由於糾結很長時間造成的我的脾氣，她馬上做出了決定。

這就是力學上的亞穩態原理。

圖１：A metastable state of weaker bond (1), a transitional "saddle" configuration (2) and a stable state of stronger bond (3).

Small avalanches demonstrate metastability at Mount Baker Ski Area.

圖片出處：Metastability - WikipediaMetastability - Wikipedia

經濟學上有個基本概念叫「帕累托最優」：說如果一個社會處在這樣一種狀態，你改變這個社會的任何一方面，這個社會的整體利益都會下降，那麼這個社會就達到了最優狀態。

還有個「帕累托改進」：實際上任何社會都處在動態中，所以從來沒有帕累托最優，也就有可能在不下損害任何群體利益的基礎上，增加整個社會的利益。

說了這麼多都是扯淡，數學上一個公式就描述清楚了。

"格力，掌握核心科技"這句廣告詞不知道聽了多少遍，結合這個營銷案例來看，只怕是忽悠的成分也不少。以董明珠的身份，上電視玩這麼個把戲，還作為黑科技加以宣傳，挺掉價的。

我覺得有可能董小姐也不懂，被下面人忽悠了？

海爾兄弟，格力奶奶欺負到頭上來了。

讓克魯德演示一下什麼叫過冷水。

過冷和過熱現象而已，問題在於水而不在於冰箱，當純凈的水處於穩定狀態時，即使溫度降到零下，如果沒有結晶核，也是不會結冰的，這是過冷，但是過冷的水受到微擾或者加入結晶核時，會迅速結冰，與之相對，當純凈的水迅速加熱也可以加熱至過熱卻不沸騰，但是受到微擾或者加入結晶核會迅速爆沸，是為過熱，有興趣可以百度死亡冰柱，有異曲同工之妙~~~

你說什麼？哪裡能有那麼純凈的水？？難道你沒看過王力宏的廣告么？

其實就是過冷水而已，與冰箱沒什麼關係。

通常水中含有雜質，只需要較小的過冷度便能夠以這些雜質為基底進行異質形核並完成相變。

但當水是高度純凈時，必須依賴自身進行均質形核，通過結構起伏現象獲得超越臨界形核半徑的大分子團，通過能量起伏現象獲得足夠的形核功，這兩者都需要在比較大的過冷度下才能順利進行。

我不知道理論上純凈的水能達到的最大過冷度是多少，但5度是沒有問題的。純金屬的最大過冷度可達熔點的0.2倍，也就是上百度。

這算什麼，我還能讓一杯不用冷凍的「水」在我一倒出來的時候瞬間結冰呢

說句難聽的，信這種廣告的人估計物理和化學都是政治老師教的

【斜眼】

過冷水製作攻略在下面。

這就是傳說中的冰鮮功能。。其實只是現在有可以微調溫度的冰箱，且零下五度不足以把肉凍結實而已。不光格力冰箱，好多牌子都可以控溫了，我的松下冰箱也可以調五檔溫度，同時有一個蔬菜室，葉菜放進去能保鮮1-2周，是不是很神奇囧

看很多人說過冷水的問題，好像有興趣的人很多，給一個攻略，親測有效w

其實並不難做原理也簡單，基本算是帶孩子做100個實驗中前10個的感覺，如果家裡有調溫冰箱輕鬆可以做出來（有的冰箱溫度不是很準時間不好控制，為了在孩子面前裝逼成功請提前實驗1-2次，免得失敗丟臉）

製作過冷水請準備：

可調溫冰箱，並選擇零下5度

500毫升純凈水1瓶

毛巾1條

需要自己量溫度的話弄個溫度計

水裡雜質（凝結核）多容易失敗，所以建議用純凈水而不是自來水。

水不要放太滿，3/4即可。倒出一些後把蓋子擰好。

冰箱調到零下2-5度，看一下是不是受冷均勻，如果有溫度特別低的地方就躲開那裡，如果不幹凈或者結了霜就提前清理一下。

過冷水製作秘籍就是緩慢而均勻地把水凍到零下5度左右，所以為了防止受凍不均勻，瓶子上最好裹一條毛巾或者套一個保溫袋。

然後輕輕放進去就好了，考慮到瓶子質量也是參差不齊，可以自己試個1-2次，或者一次多凍幾瓶，一般來說4-5小時即可，如果不幸失敗了則需要根據自己冰箱的特性微微調整一下，多試幾次總會成功的囧。。

例如你一下凍三瓶，先偷偷開一瓶，先確定自己成功以後就可以在孩子面前裝逼了。。可以劇烈搖晃瓶子享受從頭凍到腳的快感，也可以瞬間把水倒出來形成冰凌子，成功的話擰開蓋的時候就開始凍了所以需要穩准狠，祝你耍的666成功樹立高大上形象w。

注意：凍的過程中一定要輕緩而持久，也就是說這4-5小時內最好不要來回開冰箱門，過冷水是一種非常不穩定的東西，可能你稍微晃一下門，五小時後就可以拿著一坨冰砸人了w 切記

對了，為了觀察還可以準備放大鏡什麼的，結晶的瞬間很華麗！

可樂之類的碳酸飲料也可以做但是難度更大，有機會也可以挑戰一下，手機碼字就先不介紹做法了。。=_=

你讓她媽的再放回去看冰化不