Superkjøling [1] eller superfusjon [ 2] [3] [4] er et fysisk fenomen som oppstår etter en avkjølingsprosess av en væske under størkningstemperaturen , uten at selve størkningen faktisk forblir i flytende tilstand.
Dette fenomenet er hovedsakelig observert i polymerer , materialer dannet av makromolekyler forhindret i krystallisering av steriske fenomener , eller, i tilfelle av materialer sammensatt av små molekyler, i rene og perfekt hvilende væsker.
I det andre tilfellet, hvis hviletilstanden blir forstyrret (ved å røre væsken ved å introdusere et fremmedlegeme), størkner materialet umiddelbart og temperaturen øker til størkningspunktet. [5] Det som skapes er en ustabil situasjon fra et termodynamisk synspunkt , dvs. at væsken er i en metastabil tilstand. Denne oppførselen skyldes det faktum at selv bevegelsene på molekylær skala, dvs. translasjons-, rotasjons- og vibrasjonsbevegelser, gjennomgår en plutselig nedgang. Molekyler har derfor ikke tid (kinetikk) til å endre posisjon, og til å ordne seg i et stabilt krystallgitter fra et termodynamisk synspunkt (som kan identifiseres på tilstandsdiagrammet).
I det spesielle tilfellet med flytende metaller og polymerer i størkningsprosessen, er graden av underkjøling , eller ganske enkelt underkjølingsgrad (eller underkjølingsgrad ) , definert som forskjellen mellom temperaturen et gitt stoff har blitt underkjølt ved og den der størkning av væsken (likevektstemperatur). Denne størrelsen avhenger av renhetsgraden til materialet og graden av varmefjerning .
Med superkjølt eller superkjølt vann mener vi fenomenet der vann forblir flytende ved temperaturer under 0 °C.
Fenomenet med underkjølt vann oppstår på grunn av størrelsen på vanndråpene : en dråpe som er veldig liten har egenskapen til å ha en overflatespenning slik at den ikke fryser. Andre forhold som må respekteres for at fenomenet skal oppstå, er vannets renhet, som derfor må være fritt for salter , og avkjølingen, som må foregå i rolig tilstand.
Superkjølt vann er i en ekstremt ustabil tilstand og har egenskapen til å stivne i kontakt med andre gjenstander [6] . Vibrasjoner kan også føre til umiddelbar størkning av dråpen. Iskrystallen som dannes har en annen struktur enn klassiske iskrystaller og varierer i henhold til temperaturen på det underkjølte vannet den kommer fra [7] :
Fenomenet der superkjølt vann fryser øyeblikkelig ved kontakt med et fast stoff kalles gelicid [8] .
I kalde skyer (med temperaturer under 0 °C) er vanndråper relativt vanlige ved temperaturer mellom 0 °C og -12 °C. Det er vanskeligere å finne dette fenomenet mellom -12 ° C og -20 ° C. Det er svært sjelden at fenomenet oppstår mellom -20 ° C og -40 ° C, mens det er svært vanskelig å finne superkjølte dråper under -40 ° C, siden forsøkene har vist at en dråpe med en diameter på 5 µm fryser spontant ved den temperaturen [9] .
Skyer som inneholder underkjølt vann kan være farlige for fly som passerer gjennom dem. Den nesten øyeblikkelige tendensen til å danne en isfilm av superkjølt vann i kontakt med et fast stoff kan føre til at kontrollene blokkerer eller tynger kjøretøyet betydelig [10] .
Tilstedeværelsen av underkjølt vann er ofte et symptom på hagl [11] , da superkjølt vann er typisk for cumulusskyer.
Fenomenet med underkjøling av vann griper også inn i dannelsen av forankret is .