如果严格限制低温水的膨胀空间，水还会结冰吗？ 第1页

先说结论：在限定体积的情况下，降温至0摄氏度以下会导致部分的水结冰。但结冰过程又会使得压强增大，反过来提高进一步结冰的难度，形成一个负反馈。

因此，虽然水在恒压下具有固定的凝固点，但在恒定体积时，需要持续降温才能不断结冰。在结冰过程中，压力会随着相图中的固液二相线不断爬升，直至所有水都凝固为止。

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通常的相图都是压力-温度相图，但本题涉及的是一个定容相变问题，所以简单看相图还是不容易看出结论来的。

首先，我们要知道，常压下水结冰后，密度大约会降低为水的91.7%

如果没有任何限制，水在结冰后，密度的降低会导致体积膨胀。但题中限定了容器体积，这相当于我们要把膨胀后的冰重新压缩并塞回容器中，等于给冰施加了一个100%-91.7%=8.3%的压缩应变。

0摄氏度时，冰（Ih相）的体积模量为8.6 GPa（指压缩单位比例体积所需的压强，见Elastic Constants, Bulk Modulus, and Compressibility of H2O Ice Ih for the Temperature Range 50 K–273 K），因此，如果所有的水都结冰（先假设冰保持Ih相不发生相变），以上应变最大能带来8.3%*8.6=0.71 GPa的压强.

而从水的相图可以知道，在0摄氏度附近，凝固点是随着压强的增大逐渐降低的。

部分水凝固之后导致压强增大，会进一步降低凝固点，阻止更多的水凝固，从而形成一个负反馈。

因此，只有持续降低温度，才能增大凝固的比例。这个过程中，压强会沿着固液二相线爬升，直至温度足够低，将所有水都凝固为冰为止：

不过上述过程是低压下的一个近似，在更高的压强下，冰/水的密度比会发生变化。更重要的是，普通的冰（六次对称的Ih相）在209.9 MPa时会发生结构转变，转变形成新的III以及更高压下的V相。这些相的密度、模量与普通的冰都不一样，所以具体要降低到多少温度才能完全凝固，需要结合这些高压相的具体数据才能进一步定量讨论。