冷水和热水哪个先结冰的原理

1.热水先结冰。制冷有四种共存机制:辐射、传导、汽化和对流。通过实验观察对比结果发现，热水先于冷水结冰的原因主要是传导、汽化和对流的综合作用。一个装着初始温度为4摄氏度的冷水的杯子，需要很长时间才能结冰。水和玻璃都是导热性差的材料，所以液体内部的热量很难通过传导有效传递到表面。随着温度下降，杯中的水体积膨胀，密度变小，聚集在表面。因此，水首先在表面结冰，然后延伸到底部和周围，从而形成一个封闭的冰壳”。内层的水与外界空气体隔绝，只能通过传导和辐射来散热，所以降温速率很小，阻止或延缓了内层水温持续下降的正常进程。

2.因为水结冰时体积会膨胀，已经形成的冰壳对进一步结冰也起到一定的约束或抑制作用。一个装着初始温度为100℃热水的杯子，结冰的时间会短得多。你能看到的是表面的冰层无法连成冰盖，所以看不到冰壳的形成。它只是沿着冰和水的界面向液体中生长出针状的冰晶(当初始温度低于12℃时，你看不到这种现象)。随着时间的推移，冰晶变得越来越薄，越来越厚。这是因为初始温度高的热水，上层水变得更稠密，冷却后向下流动，在液体中形成对流，使水分子在各自的结晶中心周围“成冰”。初始温度越高，对流越强烈，能量损失越大。正是这种对流使得上层水难以形成冰盖。由于传热和相变潜热，单位时间内能损失较大，冷却速率较高。当水面温度降到0℃以下，有足够的低温时，水面上开始出现冰晶。初始温度越高的水生长速度越快，这是因为冰盖还没有形成，对流强烈。最后可以观察到冰帽已经形成，冷却速度变得有点低。但由于水中的冰晶已经生长粗糙，表面能大，冰晶的生长速度与单位表面能成正比，所以生长速度仍然比初始温度较低的水快得多。