Külmuv ja alajahutatud vesi

Kuidas toimub vee külmumine? Mismoodi on võimalik vett jahutada palju kraade alla külmumispunkti, ilma et see jäätuks? Sellist vett nimetatakse alajahutatud veeks.

Vastus Veel on jäätumiseks vaja külmumistuumasid, näiteks tolmukübemeid, lahustunud gaase või muud võõrkeha, mille külge vee molekulid saaksid hakata jääkristallideks kokku kogunema. Algsel väikesel jääkristallil kulub suurenemiseks kõvasti energiat ning allapoole kriitilist väärtust kulub seda energiat nii palju, et jääkristalli kasv on ebatõenäoline.

Kui algne jääkristall moodustub külmumistuuma ümber, on kasv kiire, sest osake on tavaliselt kriitilisest piirist suurem. Kui aga vees mingeid muid osakesi ei ole, toimub jäätumine ainult siis, kui vee molekulid juhuslikult õiges asendis kokku juhtuvad. See muutub seda tõenäolisemaks, mida külmem on vesi, sest siis on vee molekulide liikuvus väiksem ja tõenäosus jääkristallide moodustumiseks suurem. Seetõttu on väga puhast vett, kus muid osakesi ei ole, võimalik alajahutada, see tähendab, et kui ei ole külmumistuumasid, võib vesi olla vedel ka vähem kui nulli kraadi juures, sest jääkristallid pole lihtsalt saanud veel kasvada. Destilleeritud vett saab puhtas nõus jahutada kuni –20 kraadini, enne kui see jäätub. Veepiisad pilvedes saavutavad enne külmumist kuni –40-kraadise temperatuuri. Isegi tavaline kraanivesi, milles on rohkesti igasuguseid osakesi sees, ei pruugi jäätuda enne mõnda kraadi alla nulli.

Alajahutatud vesi jäätub väga kiiresti, kui sinna vette panna mõni võõrkeha, mis toimib seejärel külmumistuumana.

Kui vesi külmub kontaktis jääga, annab see oma soojusenergia ära külmumata vette või siis jääle. Andes soojust ära alajahtunud veele, kipub tekkiv jääkiht olema ebaühtlane, moodustades dendriitjää, mis koosneb kaunitest alajahtunud vette ulatuvatest sõnajalalaadsetest moodustistest. Kui aga soojust antakse ära juba tekkinud jääkihile, on selle kihi ja vee piir tavaliselt tasane. Isegi kui pinnale tekiks mõnes kohas kiirema külmumise tõttu muhk, oleks sellel edasine külmumine jälle aeglasem, sest jääkiht on seal paksem. Nii külmuks ümbritsev ala jälle kiiremini ja pind muutuks uuesti tasaseks.