透明冰是由純水構成的 ?!

測試結果

• 以TDS水質測試計進行測試。
• 以自來水製成透明冰，待冰塊溶解後，與原自來水樣本比對。

 

自來水：80ppm                       透明冰：2ppm

樣本	結果 ppm
飲用水建議 (國際NSF標準)	<400
自來水(台北)	72~89
冷開水	72
普通冰塊	70
逆滲透水	1~10
透明冰	1~5
蒸餾水	≒0

原因：水分子在凍結的過程中，會將空氣與雜質排除在冰的晶格之外。所以透明冰是由純水分子所組成。

實驗結論

前面連續的記錄了以下幾種實驗的過程與結果：

• 降低凍結速度：使用絕熱材料包覆製冰容器。
• 沸水製冰：消除水中溶解的空氣。
• 水面抽真空：減少水面空氣，減低降溫過程中的空氣溶解量。
• 滴水製冰：維持水面不凍結，使空氣有脫離的管道。

經過這些實驗得到的結論是：以上方法皆無效，充其量只能減清白冰的程度。甚至有的方法會造成反效果，形成整塊的白冰。

認清實際物理現象：

• 水面先結冰是不可避免的。
• 水中的空氣溶解是不可避免的。

因此在家庭冰箱提供冷凍的條件下，使用傳統製冰盒一定會產生白冰。

迷思4. 保持水面不結冰

水凍結成冰的過程：

• 室溫下的水置入冷凍室後開始降溫，在水溫高於 4℃時，水會熱脹冷縮，冷水下沉熱水上升形成對流，一直到全部的水都達到 4℃的同溫狀態。
• 4 ℃的水密度最大。低於此溫度，水的物理性質變為熱縮冷脹。低溫膨脹後不再下沉對流，而維持在表面繼續降溫，然後開始結冰。
• 底部的水維持在4 ℃，直到由上而下逐漸凍結。冰的體積跟水比較約增加 9%。
• 一旦表面結冰，則冰面下的空氣沒有逸出的管道，會逐漸集中在最後凍結的部份，形成白冰。

 

我的實驗：

原理：維持持續滴水的方式，使下層的水面受到擾動不結冰，由接觸容器表面的部份開始凍結(底部與側邊)。由於條件設定在僅利用家用冰箱冷凍庫，沒有電源或其他動力擾動水面，所以採用自然滴水的方式擾動。

器材：

• 有蓋的保麗龍容器，底部可以鑽孔。用於盛裝水，並防止水凍結。
• 塑膠盒，用於承裝滴下的水。

步驟：

1. 準備適當的盒子。

2. 在保麗龍盒的底部以針鑽孔；孔徑：約Φ0.94 mm；估計水珠滴下的流速約 250 cc/hr

3. 將保麗龍盒與塑膠盒如下圖堆疊。

4. 將整組器材置入冰箱冷凍庫，充分冷凍 24 小時。

冷凍過程中水面因水珠滴下而未凍結的狀態

  

冰面因滴水而呈現中央的突起，氣泡則以凸起為圓心做環狀分佈。

 

結果：

可以達成水面不會先凍結的效果。

但冰塊的效果更差，白冰的部份會散佈在整個冰體。

探索頻道『Mythbusters』在 "Fire from ice" 一集中，使用振動器振動冷凍室內的冰盒，得到相同的白冰結果。

 

結論：

是所有實驗中最差的方法，得到的冰塊白色分布最廣，透明度最差。

 

原因：

雖然水面保持不凍結，理論上空氣應有逃逸的管道。

但是因為空氣被打散難以聚集成較大的氣泡，所以沒有足夠的力量浮起。

微小的氣泡附著於冰晶邊緣一起凍結，所以整個冰體呈現渾濁白色。

迷思3. 抽真空製冰

網路上的方法：

以下資料照片節錄自 水在真空中是什么样子滴（科学普及帖）（有图）

00:00:00 設置真空設備                           00:15:04 開始出現氣泡

 

00:45:06 劇烈沸騰

01:30:08 結冰                                         02:00:23 完全結冰

以下資料節錄自 【科技之光】室温下的水在真空状态下会沸腾后结冰,为什么?

CCTV-10的科技之光播出了一個節目,就是一個大罩子(大概是燒杯的兩倍大)倒扣在桌上,裏面用燒杯放著一杯水,然後把大罩子抽成真空.這時我們會看到水沸騰,過大約一兩個小時,它又結冰了!

1. 在比較低的氣壓下水汽化（沸騰）很容易，室溫下就可以達到。比如0.02個大氣壓，沸點只要17.703℃；0.04大氣壓，29.188℃；0.06大氣壓，36.399℃
2. 水的汽化熱很大，水汽化會帶走大量的熱，比如0.06大氣壓下1g水沸騰吸收熱量2414J/g；而1g水的熔解熱大約335J/g（相反，1克0℃的水釋放出335J的熱量就可以凝固——結冰），另外1g水降低溫度1℃需要放熱4.18J。所以1g水汽化吸收的熱可以讓大約2414/(4.18*30+335)=5.2g的水溫度降低到0℃並且繼續降溫直到結冰！
3. 因此，理論上說只需要不到1/6的水汽化就可以讓剩下的水都結冰。
4. 因為燒杯被抽了真空，因此外界熱量很難進入到內部（氣體對流的途徑被阻斷了，氣體熱傳導和輻射的傳熱量相對很小，基本忽略不計）。

 

我的實驗：

原理：降低水面的氣壓可以減少水中的空氣溶解。

器材：

• 真空罐：選用的是 VacuumSaver，這項產品是我在市面上找到真空效果最好的。值得推薦的是它是台灣設計，造型很漂亮。
• 涼開水：不可加入沸水，溫度會損壞真空幫浦的瓣膜。

步驟：

1. 選擇適當的真空罐。

2. 將涼開水注入罐中，拉動罐蓋上的滑桿抽出罐中空氣。罐蓋因外部大氣壓，會和罐身緊密接合。為了希望能將水中空氣充分釋放出，所以我在室溫環境下抽真空後靜置一段時間，並重複這個抽氣步驟數次。

3. 放入冰箱冷凍庫，充分冷凍 24 小時。

 

結果：倒出罐中冰塊，中心仍為渾濁的白冰。

結論：

利用水面抽真空的方式可以減少白冰的比例，但是無法產生完全的透明冰。

原因：

市售的真空罐無法達到實驗室真空幫浦的真空等級。

迷思2. 沸水製冰

網路上的方法：

下面這段影片將水煮沸並放涼兩次，再到入冰盒中製冰。

評論：要將水重複燒開兩次再放涼，我想一般人不會有此耐性。而且在放涼的過程中並未加蓋，空氣一定會再度溶回水中。

我的實驗：

原理：我採用的是生產罐頭的排氣方法，在容器內加入沸水同時封罐。

• 沸水中溶解的空氣因沸騰排除，所以水中應該沒有空氣。
• 容器內的空氣被水蒸氣排擠，同時直接加封氣密蓋，可以在水冷卻的過程中減少空氣回溶的情況。

器材：

• 瓦斯爐與水壺：燒開水
• 氣密保鮮盒：能夠同時耐高低溫，我選用的是 樂扣樂扣 Lock&Lock，產品型錄上說明耐溫 -20~130 度。

步驟：

1. 選擇適當的氣密保鮮盒。

2. 燒開水，並持續滾沸的狀態一段時間，讓水中溶解的空氣充分排除。

3. 將沸水倒入可耐高溫的容器中，並馬上蓋上密封蓋，這時候蓋體會因為溫度及水蒸氣而膨脹突起。

4. 在室溫下放涼，這時候可以看到蓋子凹下且凝結了許多水滴。

5. 將密封盒放入冰箱冷凍庫，充分凍結 24 小時。先在盒體外淋些水再打開盒蓋，避免損害密封膠條。

6. 結果冰塊中央仍然是白色渾濁的白冰。

結論：

利用沸水製冰可以減少白冰的比例，但是無法產生完全的透明冰。

原因：

請看一下這張空氣在水中溶解度曲線圖表，有一條曲線顯示在一大氣壓之下的空氣溶解狀況。

• 0°C；57 L/m3
• 100°C：10 L/m3

所以即使是將水燒開，水中仍會有空氣溶解無法完全排除。

迷思1. 降低結冰速度

網路上的方法：

"自製透明冰" 小学生世界报2003年暑假合刊 冰盤底下墊筷子降低凍結速度

 

我找到的實驗結果：

我在這個網站 家庭で明な氷を作るには，找到日本製冰公司做的相關實驗。

原理：使用氣泡紙包覆，可以有效地降低熱量傳導速率，達成降低結冰速度的目的。會比網路上提示的方法更有效。

器材：

• 蒸餾水
• 普通水杯兩個(一為實驗；一為對照)
• 隔熱材料：氣泡紙

步驟：

1.  將蒸餾水注入水杯。然後將水杯以氣泡紙包覆，注意杯底不包覆。

2. 將氣泡紙包覆的水杯與對照組水杯置入冰箱冷凍庫。

3. 經過 24 小時充分凍結。

結果：

 

左圖是包覆隔熱材料的冰塊，右圖則是使用普通紙杯的對照。

由於底部未包隔熱材料，所以由下方開始凍結，透明冰的部份集中在下方。

冰體的透明度明顯增加，而且出現明顯的透明冰與白冰的層別。

結論：

降低結冰速度，可以得到較多的透明部份，但無法排除白冰部份。

原因：

水面凍結後，封閉空氣逃逸的管道，所以仍有渾濁白冰的部份。

積層結冰的現象

寒帶地區在下雪之後，常會見到屋簷下垂著一列冰柱 (Icicle)。

冰柱的形成是因為冰或積雪受到局部的熱源(日光或或屋簷滲出的熱氣)影響而融化。向下流動的水又因為周圍溫度低於冰點，造成再度凍結。隨著時間不斷的溶解凍結造成冰凌增長。有一項很明顯的特徵是冰柱的表面並不是垂直平滑的，而是有層層堆疊的感覺。

因為是層層凍結，過程中空氣容易排除，所以這種冰柱是透明的。

 啟發構想： 商業製冰機採用這種原理製冰。