從物理方面來說,致冷有四種并存的機(jī)制：輻射、傳導(dǎo)、汽化、對(duì)流.通過實(shí)驗(yàn)觀察并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)引起熱水比冷水先結(jié)冰的原因主要是傳導(dǎo)、汽化、對(duì)流三者相互作用的綜合效果.如果把熱水和冷水結(jié)冰的過程敘述出來并分析其原因就更能說明問題了：
盛有初溫4℃冷水的杯,結(jié)冰要很長時(shí)間,因?yàn)樗筒ＡФ际菬醾鲗?dǎo)不良的材料,液體內(nèi)部的熱量很難依靠傳導(dǎo)而有效地傳遞到表面.杯子里的水由于溫度下降,體積膨脹,密度變小,集結(jié)在表面.所
以水在表面處最先結(jié)冰,其次是向底部和四周延伸,進(jìn)而形成了一個(gè)密閉的“冰殼”.這時(shí),內(nèi)層的水與外界的空氣隔絕,只能依靠傳導(dǎo)和輻射來散熱,所以冷卻的速率很小,阻止或延緩了內(nèi)層水溫
繼續(xù)下降的正常進(jìn)行.另外由于水結(jié)冰時(shí)體積要膨脹,已經(jīng)形成的“冰殼”也對(duì)進(jìn)一步結(jié)冰起著某種約束或抑制作用.
盛有初溫100℃熱水的杯,冷凍的時(shí)間相對(duì)來說要少得多,看到的現(xiàn)象是表面的冰層總不能連成冰蓋,看不到“冰殼”形成的現(xiàn)象,只是沿冰水的界面向液體內(nèi)生長出針狀的冰晶（在初溫低于12℃時(shí),看不到這種現(xiàn)象）.隨著時(shí)間的流逝,冰晶由細(xì)變粗,這是因?yàn)槌鯗馗叩臒崴?上層水冷卻后密度變大向下流動(dòng),形成了液體內(nèi)部的對(duì)流,使水分子圍繞著各自的“結(jié)晶中心”結(jié)成冰.初溫越高,這種對(duì)流越劇烈,能量的損耗也越大,正是這種對(duì)流,使上層的水不易結(jié)成冰蓋.由于熱傳遞和相變潛熱,在單位時(shí)間內(nèi)的內(nèi)能損耗較大,冷卻速率較大.當(dāng)水面溫度降到0℃以下并有足夠的低溫時(shí),
水面就開始出現(xiàn)冰晶.初溫較高的水,生長冰晶的速度較大,這是由于冰蓋未形成和對(duì)流劇烈的緣故,最后可以觀察到冰蓋還是形成了,冷卻速率變小了一些,但由于水內(nèi)部冰晶已經(jīng)生長而且粗大,
具有較大的表面能,冰晶的生長速率與單位表面能成正比,所以生長速度仍然要比初溫低的水快得多.