為什麼水面結冰都是從邊緣向中間結？

01-07

而且往往是中間的薄，四周邊緣的厚？

邊緣過冷度大，易形成晶核?

2016-01-24

如果從零度以上降溫至剛好零度，水是不會結冰的，因為自由移動的水分子由彼此吸引而排成整齊的晶格時，水分子的能量會下降，放出來的能量必須以熱的形式散到環境中。此時繼續讓系統放熱，溫度不會下降，而水會逐漸凝結。

水有一種很特殊的物理性質，那就是在 4℃ 時擁有最大的密度，比這個溫度高或低，密度都會遞減。水分子的擴張，發生在水完全結凍之前，因此，如果一池湖水的溫度在 0℃ 到 4℃ 之間，那麼，越上層的水密度越小，溫度也越低，而池底的水密度最大，溫度也是最高的 4℃。當水溫降低時，較冷的水（0℃～4℃之間的水）由於密度較小，所以會升到湖泊的表面，然後冷凍成為固體的冰。這層冰能將下層的水與外頭的冷空氣隔絕，所以下層的水就比較不會結冰，使得在湖中生存的生物能夠在冰層以下的水域中度過嚴寒的冬天。所以說啰，結冰一定是從溫度較低的表面開始。

那為何結冰從周圍往中心移動呢？在講點比較有深度的解答前，先要說明把水降溫得到冰，過程中會先產生「冰晶」。從分子的尺度來看，水分子由一個氧原子和兩個氫原子以化學鍵構成。由於氧原子的外層電子軌道還差兩個電子才能填滿，在氫氧結合形成水後，兩個氫原子的電子會比較接近氧的原子核，使得每一個水分子的兩個接近氫原子核的區域帶較多正電，而接近氧原子核的區域帶較多負電。因此當兩個水分子接近時，帶不同電性的區域會互相吸引，降低彼此交互作用的位能形成氫鍵，而原來的位能會轉為動能。如果這多餘的動能接下來藉由碰撞傳給鄰近其他水分子或其他分子，則氫鍵會漸趨穩定；若新的碰撞給了這對水分子更多動能，則氫鍵就容易斷裂。

在液態時溫度比較高，代表每一個水分子平均的動能比較高，氫鍵就時連時斷，不足以固定水分子之間的相對位置。如果把製冰盒放入一個可以自由調整溫度的冷凍庫，然後溫度從室溫逐漸下降，低於攝氏零度時，製冰盒裡的水分子雖然可以形成氫鍵，但多餘的動能一旦釋出，就升高了周遭溫度。除非這熱能可以很快散出，否則接下來的碰撞很容易就把能量傳回來打斷氫鍵，使得結晶無法繼續。實際的情形是，熱能從製冰盒往外散出，因此冰晶總是從方格的邊緣往內部生長。

不考慮湖面其它變數，湖水結冰會從周圍往中央移動正是因為「散熱速度差異」造成的。因為在分子尺度下，冰晶表面水分子和附近液態水分子形成新的氫鍵，使得冰晶得以成長。由於新的氫鍵形成會提高附近的溫度，要等到這多餘的熱能傳出去以後才能讓冰晶繼續成長，於是在散熱快的區域，冰晶成長也快。

碗涼吧…

我也不扯什麼水的相圖了。我就用我學的渣一般的冶金傳輸原理、金屬學和物理化學兩門課僅留的那點碎片回答一下。

為什麼水面結冰都是從邊緣向中間結？
而且往往是中間的薄，四周邊緣的厚？

知乎慣例：先問是不是，再問為什麼。水面結冰是不是從邊緣向中間結？不一定，但是多數情況是。首先說一個可能不太準確的規律：幾乎自然界所有的變化都是從最不均勻穩定的地方開始的。這個規律在水結冰等結晶問題尤其明顯。水最不穩定的地方是哪兒呢？一是與非水的相接觸的邊界、表面和水底，二是水中有雜質的地方。（「相」可以簡單理解為其他物質，這裡這個「物質」是把水和冰區分成兩種物質的。此處的「雜質」包括可溶於水的物質，因為它們使得水這種濃度為0的溶液變得非0且不均勻，存在濃度梯度）因此，水結冰一定是從這些地方開始的。所以水面結冰大多數情況是從邊緣開始，少數時候是從中間一些有雜質的地方開始。如果已經開始結冰，可以理解為上面說的過程又回到即將結冰的初始條件，所以還是從已經結冰的邊緣或者有雜質（此處「雜質」包括已經結的冰）的地方開始，不斷重複，就會看到水會從邊緣向中心結冰，且由於從這些地方開始，便會逐漸積累，新結的冰包裹在舊結的冰外面，於是會四周邊緣的厚而中間的薄。

也許有人會看了@宮非的答案來問我：為什麼水底不結冰？這個涉及到傳熱。我們只考慮理想狀況，而且只針對池塘。水的熱雖然是從整個水與其他相接觸的表面傳出去的，但是由於水面一般是空氣，流動快，所以更容易帶走更多的熱量。在這種情況下，也許水面已經是零下多少度了，但是水底卻仍然可能還是0℃以上甚至更高。（當然0℃的水不一定結冰，此處只將其作為水的凝固點/冰的熔點）。

最後我要嘲諷雞湯科學《水知道答案》。在環境純凈、優美的地方水中的雜質少，自然而然水的結晶會比在污染嚴重的地方漂亮。至於那些惡語相對和溫言軟語的情況下結出不同的冰晶嘛，我還是保留懷疑態度，先問是不是，再問為什麼。

不知道，反正我喝粥是從碗邊開始唆。

不少水域，是中間厚，邊緣薄的。

水與容器或其他物質的界面創造了異質形核的條件，使得其從這些界面處開始凝固，詳情請百度異質形核和均勻形核。

水的比熱容很大，比熱容大導致升溫降溫都比較慢，其他物質快點

這也是為什麼燒冰塊基本都是周圍先融化，基本上就是熱傳遞和比熱容影響導致的

異質成核比均質成核更容易

結冰這是一種多因素影響的現象，因素簡單列舉：1，熱傳導一定是由表及裡，天氣寒冷對於一池子水這個系統來說是由外向內襲來，顯然應該先外面結冰,2，由於表面能的存在，所有的變化都從界面開始(包括氣液和固液界面)，顯然也支持外面先結冰,3，近岸生活污水相對高，致使凝固點降低，這個一定程度上是反面效應，應該中間先結冰；4，當邊緣和表面已經結冰以後，內部就更不容易結冰了，這是因為結冰是需要膨脹的，周圍都是固體冰，內部水變成冰顯然膨脹更困難，顯然這個支持外面邊緣結冰更厚。另外，中間水的傳冷的動力主要來源於垂直表面，邊緣水的傳冷動力既來源於上表面，又來源於側表面，自然就是邊緣單位時間吸收的冷量更多，更冷也就結冰更厚。5，上面有人提到的比熱容也是一個原因，表面接觸的物質比熱容較小，而水的比熱容大，所以由外往內越來越難結冰。

比熱容的差異吧，水的比熱容比岸邊和冰大？

通俗地說，因為大地冷得快，水冷的慢。

水面的中部只有上表面跟冷空氣接觸，只有一面受冷，而水面的周圍不僅上表面跟冷空氣接觸，而且側面也與冰冷的石塊或表層土壤接觸，有兩面受冷。所以側面冷的快。

科學上的解釋樓上有不少了，如果對那些專業術語理解有壓力，那我就從常識上的簡單現象來解釋吧：

平常觀察就會發現冰棍都是從邊緣開始融化，因為冰棍邊緣熱唄

湖水從邊緣開始結冰，就是以上現象的逆轉。

反過來我假設夏天湖水中央有個足夠強力人造製冷設備，那麼湖水就會從中央開始凝結。

很簡單的一個傳熱模型四周溫度低為冷源水的溫度高為熱源熱量由水向四周傳導溫度分布在空間內是連續的有一個梯度冷源向熱源溫度逐漸升高靠冷源的溫度更低先結冰若是冰水混合物同是零度那麼靠近冷源的水潛熱更少所以也是周圍先結冰

初中知識，陸地比海洋氣候變化劇烈。高中知識，水的比熱容比岩土比熱容大，材料學知識，邊緣過冷度大，和熔煉鑄造一個道理。和高中知識一個意思嘛。化學物理知識，湖面中央，運動劇烈能量高！最後面這個描述不準確，不過差不多就是這個意思。