Núcleo de congelación

Cuando la temperatura alcanza los 0ºC, el agua se congela. Esto es bien sabido por muchos pero solo es cierto para una presión atmosférica dada y si en el agua existe la presencia de núcleos de cristalización, ya que si éstos no están presentes, el agua líquida puede enfriarse hasta −42°C sin que se produzca la congelación en un proceso llamado sobrefusión o superenfriamiento.

Es decir, el hielo sólo se formará a 0°C si el agua está turbia, presenta alguna burbuja o está contaminada con polvo u otras partículas aunque sean tan pequeñas que no las podamos ver.

Por tanto, para que cambie el estado físico del agua, o de cualquier otro líquido, es necesario que exista en ella lo que se denomina un germen o núcleo de congelación, una irregularidad o diminuto cuerpo extraño que, por así decirlo, constituya un punto inicial a partir del cual se puedan formar los cristales de hielo. Así, cuando el agua choca con uno de esos núcleos de congelación, de forma instantánea se forma un cristal de hielo.

Supercooled Water Nucleation Experiments [0:50 min]

 
Si tenemos una botella de agua en el congelador que no ha sido abierta, y por tanto no presenta ninguna alteración en su interior, esta se mantendrá en estado líquido incluso por debajo de los 0ºC. Cuando la abrimos o la agitamos, entrará en contacto con el agua un cuerpo extraño (como una simple partícula de polvo) o se moverán las diminutas burbujas de gas carbónico de su interior. Este estimulo es suficiente para que en unos pocos segundos el líquido se transforme en hielo.

Si el cuerpo extraño lo añadimos nosotros el resultado será el mismo. A continuación puedes ver lo que sucede al dejar caer una canica en un vaso con agua a temperatura menor a su temperatura de fusión.

Marble Triggers Supercooled Water to Ice from Flow Visualization @ CU Boulder on Vimeo.

Los cambios de fase tienen lugar siempre a partir de las zonas donde hay nucleación, ya que son las zonas en las que el estado termodinámico es diferente al del resto de la muestra. Si eliminamos la nucleación el cambio de fase puede retrasarse y podemos hacer que el agua se enfríe muy por debajo de los 0ºC o que se caliente muy por encima. [Museo de la Ciencia].