אם יש לי כוס מים והכנסתי אותה למקרר, למחרת יהיו בה מים קרים. לעומת זאת, אם אכניס את כוס המים שלי למקפיא, למחרת יהיה בה קרח - מים מוצקים. התופעה הזו לא מפתיעה במיוחד מכיוון שהיא יומיומית: אם נקרר מים לטמפרטורה של מתחת לאפס מעלות צלסיוס הם יהפכו לקרח.
 
התהליך בו מים נוזליים מתמצקים והופכים לקרח מתרחש באפס מעלות צלסיוס בלחץ של אטמוספירה אחת [1]. למעשה, בניגוד לטמפרטורת הרתיחה של מים שתלויה בלחץ האוויר (כמה כיף לשתות תה על פסגת האוורסט?), מים נוזליים קופאים קרוב מאוד לאפס מעלות צלסיוס כמעט בכל לחץ, בגלל האנומליה של המים (נכתוב בקרוב על איך האנומליה של המים אפשרה חיים על כדור הארץ).
לכאורה, ברגע שכל המים בכלי מסוים התקררו למתחת לאפס מעלות מתחייב מהתרמודינמיקה שהם יהפכו לקרח, אבל אפשר ליצור מים נוזליים בטמפרטורות שהן מתחת לאפס מעלות צלסיוס - באמצעות ניצול הקינטיקה של תהליך הקפיאה.
 
תהליך הקפיאה של מים דורש שמולקולות המים יסתדרו מחדש, בצורה גבישית המאפיינת את הקרח. הבעיה היא, שלתהליך יש מחסום אנרגטי. כיוון שיש למולקולות המים הרבה יותר סידורים אפשריים בהם הן לא יוצרות מבנה גבישי ובגלל שהמולקולות כל הזמן בתנועה, גם אם מספר מולקולות יצרו לרגע את הסידור המתאים, הוא בדרך כלל יתפרק לפני שיצטרפו מספיק מולקולות כדי ליצור גביש. החוק השני של התרמודינמיקה מנצח, והנטייה של מערכת להגדיל את מספר הסידורים האפשריים - האנטרופיה - מונעת היווצרות גביש (כתבנו על כך בפוסט בסדרת תרמודינמיקה [2]). אם כך, לכאורה, לא ניתן להתחיל את התהליך שבו מים הופכים לקרח - אבל כאן באה הסטטיסטיקה לעזרתנו: למרות שהמצב שבו נוצר סידור מתאים ליצירת קרח הוא מאוד לא סביר, יש המון מולקולות מים והן נעות כל הזמן. מספיק שפעם אחת, בנקודה אחת בכלי, חלק ממולקולות המים יעברו את המחסום האנרגטי ויתאגדו לחלקיק קרח, אזי התהליך העדיף הופך להיות התגבשות של כל הנוזל לקרח מוצק.
התהליך של "התארגנות" למצב מוצק בדרך כלל דורש איזשהו גרעין - אוסף של מולקולות מים שמצאו עצמן באופן רגעי מסודרות במצב "קרח", או עצם זר כלשהו שעל פניו ניתן להתחיל את תהליך ההתארגנות יותר בקלות. אם נמנע מהמים את הגרעין הזה על ידי כך שניקח מים נקיים במיוחד ונקרר אותם לאט מספיק ומבלי להזיז את הכלי - נוכל לקרר את המים מתחת לטמפרטורת הקיפאון שלהם מבלי שהם יקפאו.
במצב זה, נאמר שהמים "מקוררים-יתר" או supercooled (שזה שם מאוד הולם, כי זו תופעה סופר מגניבה). מים מקוררים-יתר יהפכו לקרח מיד כאשר יפגשו בגרעין התמצקות - אם נמזוג אותם לקערה [גיף1], או אם נכניס לתוכם קצת קרח ממקור אחר [גיף2].
 
קירור-יתר הוא דוגמה למצב צבירה מטה-סטבילי (על-יציב) והוא אינו ייחודי למים. ניתן לייצר נוזל מקורר-יתר מתמיסה רוויה של נתרן אצטט, שקופא ב-60 מעלות צלסיוס אבל ניתן לקירור יתר בקלות יחסית. אם נכניס גביש של נתרן אצטט לנוזל, תהליך ההתגבשות יתחיל ממנו [גיף3]. ניתן לייצר שקיות חימום רב פעמיות [3] מתמיסה של נתרן אצטט, מכיוון שתהליך ההתגבשות פולט חום רב. זכרו פרט זה כאשר אתם נתקלים בסרטונים שבהם מישהו מכניס את ידו לתמיסה שכזו ומשתמש בה כגרעין, ואל תנסו את זה בבית.