過冷水（supercooled water），是指在0℃以下仍然保持液態的水。過于純的液體水在溫度降低的凝結過程中，水中缺少起凝結核心作用的固態、液態和氣態的氣溶膠質粒，即缺少凝結核或其他原因的時候，在0℃以下還保持著液態的水，這種液體處于熱力學不穩定狀態。在工程熱力學中，當水溫低于飽和溫度時（常壓下為0攝氏度）稱為過冷水。
過冷水在結晶過程中，實際需要的結晶溫度比理論上的結晶溫度低。在一定的壓力下，液體的溫度低于壓力下液體的凝固點時，液體不凝固，但是在外部各種因素的影響下，它可以快速凝固，使溫度上升。除此之外，液體純度也是非常重要的一環，它決定過冷現象的明顯程度。
過冷水形成過程包括晶核形成、冰晶擴展、快速凍結三個階段。對其穩定性影響因素包括溫度、純度、容器表面光滑程度和潔凈程度、冷卻速率、外部擾動等。過冷水常見于實驗室環境、云層過冷水滴及凍雨天氣。
定義
過冷（Supercooling，又譯超冷凍）是指液體在溫度低于其常規凝固點的情況下，仍然保持液態的特殊現象。
過于純的液體水在溫度降低的凝結過程中，水中缺少起凝結核心作用的固態、液態和氣態的氣溶膠質粒，即缺少凝結核或其他原因的時候，在0℃以下還保持著液態的水叫過冷水。其中過冷水的溫度低于飽和溫度（液體和蒸氣處于動態平衡狀態時的溫度），飽和水、濕飽和蒸汽、干飽和蒸汽的溫度等于飽和溫度，過熱蒸汽的溫度高于飽和溫度。在工程熱力學中，當水溫低于飽和溫度時（常壓下為0攝氏度）稱為過冷水。
原理
過冷現象的物理根源是實際系統，不是熱力學極限狀態的系統，兩相間的分界面不是無窮大平面，而是有限的曲面。有限曲面具有有限的能量和熵。通過考慮有限曲面的表面張力(系數)可以對過冷現象的程度即相變溫度的變化，進行具體研究。過冷狀態屬于亞穩態。亞穩態指的是按相平衡條件，應發生相變而未發生的狀態。它對于外界小的擾動保持穩定，對于大的擾動不穩定，會轉變為能量更低的平衡態。水的冷凝和氣化的不平衡會持續很長時間。水凝固在冰上所需要的條件是必須有凝結液且足夠純凈。只要達到條件水就會結晶，變成冰浮在水中，也可以在容器的壁上凝結。但是沒有這些條件的話，液體的水不會凍結，會長時間停留在冰點下。這個時候凝結核突然侵入的話，馬上就會結冰。可由于水中沒有凝結核、時間、溫度沒有達到要求，在0℃以下水還可以保持液體狀態。
形成條件
過冷水在結晶過程中，實際需要的結晶溫度比理論上的結晶溫度低。在一定的壓力下，液體的溫度低于壓力下液體的凝固點時，液體不凝固，這種液體處于熱力學不穩定狀態，但是在外部各種因素的影響下，它可以快速凝固，使溫度上升。
除此之外，液體純度也是非常重要的一環，它決定過冷現象的明顯程度。高純水在-40攝氏度才開始結冰。這是因為液體太過純凈，沒有凝固所需的“結晶核”所致。當水一定要凍結時，需要克服核形成階段的冰水界面的“阻力”，這是無法自發完成的。需要凝結核達到一定規模時，才會變成冰。
結冰過程
過冷水其實是過于純的液體水，凝固時沒有“結晶核”。如果稍微加少量固體或者搖晃液體，液體就會迅速凝固。水結冰是因為水中的雜質能提供結晶。而過冷水是很不穩定的，所以過冷水搖晃的話，可以使溫度升高，過冷水就會凍結。
類型
晶核形成：當過冷水被觸發時，水分子會開始圍繞一個成核點有序排列，形成固體的冰晶結構。這一步是結冰過程的開端。凝結核在形成階段會有閾值。一旦穿過它，過冷水馬上就會結冰；不能穿過閾值的話就不會結冰；溫度正好等于冰點的時候，因為不能超過閾值，也不會凍結。
冰晶擴展：隨著冰晶的生成，會釋放出一種被稱為“潛熱”的能量。這種能量會稍微提高周圍水的溫度，使更多的水分子加入冰晶結構，從而推動結冰過程的擴展。結晶核形成后，剩下的水分子附著在核上，迅速生長，這就是過冷水突然結冰的原因。其實對于過冷水來說，結晶核的形成依靠于波動，所以水不均勻流時反而有利于結晶核的生長。
快速凍結：一旦晶核形成，整個液體中的冰晶會以極快的速度擴展開來，過冷的水瞬間完成由液態到固態的轉變。這個過程常被形象地稱為“瞬間結冰”。
影響因素
溫度：溫度越高，閾值越高，生成足夠的原子核并生長就越困難。反之溫度越低，閾值越低，有效原子核的生成就越容易。
純度的影響：純凈液體更容易進入過冷狀態，因為其中沒有雜質可以作為晶體形成的“成核點”。
容器表面的影響：容器表面的光滑程度和潔凈程度對過冷現象有顯著影響。如果容器表面非常光滑且沒有雜質，液體更容易保持過冷狀態。相反，粗糙或不潔凈的表面可能提供成核點，減少過冷的可能性。
冷卻速率的影響：快速冷卻（例如使用液氮冷卻）有助于形成過冷液體，因為快速降溫減少了液體內部形成成核點的機會。相比之下，慢速冷卻可能會讓液體內部逐漸形成微小的冰晶，從而提前開始結冰過程。
外部擾動：過冷液體非常脆弱，任何微小的外界擾動（例如振動、碰撞或液體接觸到容器壁上的細小顆粒）都可能打破其平衡，觸發液體中的冰晶迅速擴展，導致液體瞬間結冰。
臨界冰核大小：有研究指出，冰核尺寸大于臨界尺寸時，形成行為符合經典成核理論；而小于臨界尺寸時，導致更高的成核自由能壘，抑制了冰核的促進作用。溫度依賴性的臨界冰核大小的變化，這個突變點出現在LΔT約等于200納米開爾文的地方。
制作方法
實驗一
【實驗材料】
純凈水、瓶子、冰塊、杯子、金魚（可選）、吸嘴（可選）
【實驗步驟】
1、制作：將純凈水放入冰箱的冰柜中，在-24℃的環境中冷凍。此時，水的溫度低于零度凝固點，但不會結冰，得到的就是過冷水。接下來一定要輕輕地從冰箱中取出過冷水。
3、驗證：讓外界給它一個干擾，輕敲瓶子或者搖晃，就會看到一瓶透明的水瞬間變成了半透明的冰塊，瓶子里的水很快就結冰了。這源于結晶核依靠波動，所以這是從冰箱中取出水瓶時要非常小心的原因。此外，也可以非常小心地將過冷水裝滿一個干凈的杯子里，接下來放入一小塊冰，看著水以冰為中心迅速凝固。也可以在過冷水中放置一條金魚（盡量讓金魚處于靜止狀態），拿吸嘴吸取過冷水，取出時發現吸嘴頭凝結成冰，水面開始結冰，金魚游動加速了擾動，凝結迅速蔓延至整個容器，金魚被凍住。
實驗二
【實驗材料】
一瓶礦泉水、一些冰塊、一個玻璃水杯
【實驗步驟】
實際案例
雷電冷云形成：在云層中有許多水滴在溫度低于0℃時仍不凍結，這種水滴叫過冷水滴。過冷水滴是不穩定的，只要它們被輕輕地震動一下，馬上就會凍結成冰粒。當過冷水滴與粒碰撞時，會立即凍結，這叫撞凍。當發生撞凍時，過冷水滴的外部立即凍成冰殼，但它內部仍暫時保持著液態，并且由于外部凍結釋放的潛熱傳到內部，其內部液態過冷水的溫度比外面的冰殼來得高。溫度的差異使得凍結的過冷水滴外部帶正電，內部帶負電。當內部也發生凍結時，云滴就膨脹分裂，外表皮破裂成許多帶正電的小冰屑，隨氣流飛到云的上部，帶負電的凍滴核心部分則附在較重的霰粒上，使霰粒帶負電并停留在云的中下部。
搖搖冰：不僅是純水，很多飲料也能出現過冷現象。近些年流行于景區和街頭的“網紅搖搖冰”正是利用了過冷的原理。當飲料處于過冷狀態時，輕輕搖晃就能促使液體迅速結冰，形成類似沙冰的口感，既好玩又清涼解渴。
凍雨（Freezing rain）是一種特殊的天氣現象。當0℃以下的過冷雨滴降落到地面或物體表面時，會迅速凍結，形成一層光滑的冰。這種現象常導致植物、電線等物體表面覆蓋“雨淞”或“冰掛”。雖然凍雨在視覺上很美，但它是一種災害性天氣。例如，2008年我國華南地區的嚴重雪災中，凍雨是主要成因之一。
飛機結冰：當飛機穿過含有過冷水滴的云層時，水滴碰到機身或機翼表面會迅速結冰，形成冰層。這種現象會破壞飛機的空氣動力性能，影響飛行安全。因此，航空公司會采用防冰措施，比如加熱機翼或使用防冰液，以確保飛行安全。
工業領域：在工業和科學研究中，過冷現象被用來探索材料的相變過程，優化冷凍技術。例如，研究者利用過冷現象改進食品冷凍技術，或者研究金屬在冷卻凝固過程中的微觀結構變化。
相關概念
在一定壓力下，當液體的溫度已低于該壓力下液體的凝固點，而液體仍不凝固的現象叫過冷現象。此時的液體稱為過冷液體。在氣液相變中，蒸氣凝結為液滴需要一定的凝結核，若沒有足夠的凝結核，或凝結核過小時，即使蒸氣壓強超過該溫度下的飽和蒸氣壓，液滴仍不能形成并長大，出現過飽和現象，這樣的蒸氣稱為過飽和蒸氣，或稱為過冷蒸氣。
相關研究
過冷水可以用于制冷系統，這樣可以使室內溫度降低。過冷水也可以用來制冰，這樣可以使冰塊保持涼爽。研究表明具有超疏水性的納米氟碳涂層表面不但能有效抑制結冰也具有防結垢特性。 通過對過冷水動態制冰的實驗研究發現，采用納米氟碳涂層過冷卻器制冰時，可在過冷卻器出口得到較大的過冷度，過冷狀態持續時間較長，推遲了過冷卻器冰堵發生的時間，冰漿的制取量增加，系統的制冰效率得到提高。在過冷卻器內部增加擾動裝置進行制冰時，雖然換熱系數可得到提高，但卻增加了更利用過冷水結晶的條件，使過冷卻器發生冰堵的頻率更高。
參考資料 >
Advances in the study of supercooled water.Springer.2025-01-17
水倒出瞬間成了冰沙，教你在家就能做冰沙飲品的絕招.今日頭條.2025-01-09
北京COOL青年：過冷水的秘密.北京制冷學會.2025-01-22
“擊水成冰”，一起來做“冰魔法”!| 科到了.網易.2025-01-08
過冷現象.中國大百科全書.2025-01-17
新聞速覽.抖音短視頻.2025-01-10
【動手做】 科學小實驗——滴水成冰.澎湃新聞.2025-01-22
雷電是怎樣產生的?-中國氣象局政府門戶網站.www.cma.gov.cn.2022-05-24
基于納米氟碳涂層材料的過冷水動態制冰理論與實驗研究.中國知網.2025-01-17