Vatten och hög värme

Ett intressant fenomen där man kan diskutera både fasövergångar och värmeledningsförmåga.

Kastrullen är så het att det första vattnet som träffar den väldigt snabbt går över i gasfas och bildar en ångkudde under det flytande vattnet. I den heta ångan är avståndet mellan vattenmolekylerna så stort att värmeledningsförmågan blir mycket låg. Ångan bildar ett värmeinolerande skikt mellan kastrullen och det flytande vattnet.

Fenomentet har ett namn - Leidenfrost effect - efter den person som 1756 skrev om det.

Hoppande vatten 

Man skulle kunna tro att detta fenomen har med vattnets ytspänning att göra, men det är inte hela sanningen. När droppen är helt nära vattenytan blir det kvar ett tunt lager med luft, som hindrar droppen från att förenas med resten av vattnet. När luften trängs undan, kan droppen sjunka ned i vattnet.

Men samtidigt som den gör det, bildas det vågor i droppen, som sprider sig uppåt, och får en del av droppen att "studsa" upp. Sen upprepas händelseförloppet tills hela droppen har förenats med vattnet.

Underkylt vatten - underkylt regn

Relativt rent vatten som sakta kyls ner under fryspunkten kan förbli flytande (underkylda). Underkylt vatten kan övergå till is på någon sekund om något sätter igång fasövergången: här, starka vibrationer och sådd av en iskristall.

När man på väderleksrapporten varnar för underkylt regn så är det just detta fenomen det handlar om. 

För att vattendroppar normalt ska frysa fordras att det innehåller fryskärnor, dvs små föroreningar kring vilka iskristaller kan byggas.

Om vattnet är absolut rent finns inga sådana kärnor och vattnet kan vara flytande även vid minusgrader. En molndroppe har en diameter på ca 0.02 mm och helt rena sådana droppar har i kondensationskammare visat sig frysa spontant först vid -40º C. Nu är molndroppar vanligtvis inte helt rena, men vattenmoln är ganska vanliga ned till –10º C och har observerats vid –35º C eller lägre.

När det gäller underkylt regn handlar det i regel om regndroppar från en varmfront som faller ned genom en kil av kalluft nära marken och underkyls. När de träffar marken fryser de omedelbart och det kan bli rejält halt. Men halka kan också uppstå när droppar med temperatur över noll grader träffar en vägbana som kanske kylts ner mot 10 minusgrader, då har vi det som kallas regn på kalla vägbanor. Inte ett äkta underkylt regn, men effekten blir densamma.

1982 fick Kenneth Wilson Nobelpriset i fysik för att han teoretiskt rett ut hur olika typer av snabba fasövergångar går till.