Как замерзает вода в открытом сосуде
Первый ответ на вопрос, что станет с водой в открытом космосе, широкой публике дал известный американский писатель-фантаст Айзек Азимов. В его рассказе “Заброшенные у Весты” уцелевшие обитатели осколка космического корабля смогли совершить посадку на астероид, благодаря созданию ракетного двигателя из струи жидкости. Для этого одному из героев пришлось проплавить внешнюю стенку корабельного бака воды. По утверждению героя рассказа, вода одновременно кипела и сублимировалась в вакууме.
Источник изображения: wisgoon.com
А как происходит на самом деле?
Всем известно, что с падением давления точка кипения воды становится все ниже и наоборот, при повышении давления точка кипения растет. При атмосферном давлении вода закипает при привычных нам 100 градусах Цельсия. Если давление увеличить вдвое, то вода закипит уже при 120 градусах (это было прекрасно известно кочегарам паровозов). А вот если давление упадет до 0,07 атмосферного, то вода закипит при комнатной температуре.
Вода в условиях вакуума практически сразу начинает кипеть. Источник изображения: nextews.com
В космосе давление настолько низкое, что его невозможно обнаружить самыми точными земными приборами. Собственно о величине давления в космосе невозможно судить по прямым измерениям, физики в этой ситуации используют различные косвенные методы для определения его значения. Исходя из этого факта можно предположить, что вода в условиях практически идеального вакуума должна мгновенно закипеть.
Все не так просто, как кажется…
Главным фактором вызывающим замерзание воды является температура внешней среды. А в открытом космосе эта температура крайне низкая – примерно 2,7 градуса по Кельвину (рекордные места космоса по холоду имеют и вовсе температуру лишь на полградуса выше абсолютного ноля).
Карта реликтового излучения. Источник изображения nasa.gov
Температура открытого космоса обеспечивается реликтовым излучением, это остатки тепла Вселенной после Большого Взрыва. Такой холод, с другой стороны, должен вызвать мгновенное замерзание жидкости.
Итак, рассмотрение 2 противодействующих факторов – космических давления и температуры не дают однозначный ответ о поведении воды в открытом космосе. В такой ситуации на первый план выходят теплоемкость воды и ее теплопередача. Оказывается теплоемкость воды очень высока, а вот скорость передачи тепла (или его потери) у воды относительно низкая. Охлаждаться же могут только те молекулы, которые непосредственно контактируют с вакуумом. Молекулы же внутри жидкости просто не могут терять температуру.
Но и это еще не все…
Неожиданно в игру включается еще один фактор – силы поверхностного натяжения жидкости. В космосе не только почти полный вакуум и крайне низкая температура, но еще и невесомость. Вся жидкость мгновенно примет шарообразную форму, значит количество молекул подвергающихся охлаждению еще больше уменьшится.
В невесомости жидкость принимает форму шара. Источник изображения: omactiv.md
А вот внутренняя энергия воды останется неизменной. Дальше следует вспомнить, что даже в мороз вывешенная одежда высыхает, так как часть молекул воды всегда имеют достаточно энергии для испарения. И это происходит при нормальном давлении. А в начальный момент энергией для испарения в условиях космического вакуума обладают практически все молекулы жидкости. Охладиться от вакуума они не могут, поскольку с ним не контактируют находясь внутри жидкости, а теплопередача для этого слишком мала.
Что же получается?
Итак, охладиться есть шанс только у молекул находящихся на поверхности жидкости и непосредственно контактирующих с космическим холодом. А практически все остальные молекулы воды имеют внутреннюю энергию достаточно для кипения, ведь давление в космосе ничтожно.
Источник изображения: yousense.
Раз внутренней энергии достаточно, то она и сыграет первостепенную роль. Вода, помещенная в открытый космос мгновенно вскипит. Молекулы жидкости устремятся в различные стороны и непосредственно войдут в контакт с космическим холодом. Начнется быстрое охлаждение. Только что вскипевшая вода станет стремительно замерзать. В итоге мы получим мелкие льдинки стремящиеся разлететься, ведь импульс у частичек жидкости полученный при кипении никуда не делся.
В результате ответ на вопрос, что произойдет с водой в открытом космосе, звучит так – сначала вода мгновенно вскипит, затем быстро превратится в разлетающиеся частички льда. А Айзек Азимов в своем описании реактивной струи из воды был практически прав.
Источник
Вода – одно из самых необходимых веществ на нашей планете. Она имеет массу свойств, которые делают её, в какой-то степени уникальной. Одно из самых известных свойств, о котором знает даже маленький ребёнок, это замерзание воды. Известно, что 0 градусов Цельсия температура кристаллизации воды. Но не всё так просто. Некоторые тонкости этого процесса рассмотрим дальше.
Как замерзает вода
Кристаллизация воды – сам по себе очень интересный и многогранный процесс. Давайте разберемся, как это происходит. Как известно вода состоит из молекул, которые немного связаны между собой и стремятся к воссоединению. Всё довольно просо, при высоких температурах начинается отдаление молекул, а при низких температурах сближение. Под влиянием низких температур их движение замедляется и они, соединяясь, образовывают кристаллическую структуру. Кристаллизация, или же замерзание это превращение воды в лёд, переход в твёрдое состояние.
Температура замерзания воды
Процесс замерзания происходит при охлаждении её до ноля градусов по шкале Цельсия. Это касается не всей воды. Молекулы присоединяются к примесям, которыми являются частички пыли, соли и т.д. Поэтому чистая либо же дистиллированная вода, без присутствия этих самых примесей под воздействием низких температур по столбику Цельсия, дольше, чем обычная может оставаться в жидком состоянии.
Так же интересно, что при том, как другие вещества при замерзании уменьшаются в объеме, вода наоборот увеличивается. Все потому, что при переходе в твёрдое состояние, расстояние между молекулами расширяется. При том,что объём увеличивается, масса при замерзании не увеличивается, и весит столько же, сколько тёплая вода.
Многие задаются вопросом, почему вода не замерзает под толстым слоем льда. Любой физик ответит, что под слоем льда, вода не замерзает,так как поверхность льда служит теплоизолятором.
Отчего горячая вода замерзает быстрее холодной
Известен такой факт, что горячая или тёплая вода замерзает быстрее холодной воды. Невероятно, но факт. Это открытие сделал Эрасто Мпемба. Он проводил эксперименты с использованием мороженой массы,причём обнаружил, что если масса тёплая, то она быстрее замёрзнет. Причиной этого, как показали исследования, является высокая теплоотдача горячей и тёплой воды.
Взаимосвязаны ли температура замерзания воды и высота
Как известно, на высоте происходит изменение давления,поэтому температура перехода в твёрдое состояние всех водных растворов на высоте отличается от температуры на обычной поверхности.
Примеры изменения температурных показателей на высоте:
- высота 500 м – температура замерзания воды, является не ноль °C, как при обычных условиях, а при наличии уже одного °C;
- высота 1500 м – кристаллизация происходит при наличии около трёх° C и т.д.
Как давление влияет на процесс кристаллизации воды
Если разобраться о взаимосвязи давления и кристаллизации воды, то всё довольно просто.
Интересно! Чем выше давление, тем скорость преобразования воды в кристаллы льда ниже, а температура кипения выше!
Вот и весь секрет, а если логически подумать, то при понижении давления, все показатели идут в обратные стороны. Поэтому в горах сложно что – то сварить, так как температура, при которой кипит вода, не доходит до ста градусов Цельсия. И наоборот лёд плавится даже при низких температурах.
Температура кристаллизации водных растворов
Вода служит хорошим растворителем и поэтому легко соединяется с другими веществами. Полученные растворы, конечно же, будут замерзать при разных условиях. Рассмотрим пару вариантов температурных критериев для замерзания разных растворов на основе воды.
Вода и спирт. При большом количестве спирта в воде,процесс замерзания начнётся при наличии очень низких температур. К примеру, при соотношении 60% воды на 40% спирта, кристаллизация начнётся при наличии минус 22,5°C.
Вода и соль. Температура, при которой произойдёт замерзание напрямую связано со степенью солёности воды. Принцип таков, чем больше соли в воде, тем ниже температура кристаллизации. С показателями содержания соли напрямую связано как замерзает морская вода.
Вода и сода. Температура кристаллизации раствора 44 процентов, составляет плюс 7°C.
Вода и глицерин, при соотношении 80% на 20%, где 80 – это глицерин, а 20 – это вода, для замерзания раствора нужно наличие – 20°C.
Все температурные значения колеблются в зависимости от степени концентрации чужеродных растворов или иного вещества в воде.
Источник
Замерзает ли?
При атмосферном давлении в 760 мм рт.ст (или 0,101 МПа), вода превращается в лед уже при 0°С, как известно из школьного курса.
Но при уменьшении этого показателя меняется и точка кипения, и t°, при которой происходит превращение в лед – последняя как раз повышается.
В горах, где разреженный воздух, на определенной высоте она может уже составлять +2…+4°С. И наоборот, чем больше среда давит на воду, тем ниже находится точка замерзания на графиках.
Интересно, что при давлении в 611,73 Па совпадают температура кипения воды и плавления льда. Она составляет +0,01°С. Этот показатель называют тройной точкой воды из-за того, что она находится сразу в трех состояниях.
Считается, что при более низком показателе она просто не сможет сохранять жидкое состояние и будет превращаться в водяной пар. Причем температура плавления льда и точка замерзания воды обычно не совпадают, это разные величины.
Хотя для удобства бытовых расчетов их часто отождествляют, поскольку при 760 мм рт.ст. они как раз будут одинаковыми.
Но при этом нет такого давления, при котором бы вода совсем не замерзала. Другое дело, что в лабораторных условиях можно создать такую ситуацию, при которой вода будет замерзать только при -20…-40°С.
Кроме того, возможно получение и нестабильного состояния – переохлажденной жидкости. Но если в ней появится центр кристаллизации, она сразу же превратится в лед.
Температура в зависимости от показателя
Чтобы четко определить температуру замерзания, нужно сначала понять, как связаны эти 2 параметра.
Как они взаимосвязаны?
При увеличении давления, температура замерзания снижается, при уменьшении – t° растет. Существуют специальные формулы, которые помогают рассчитать конкретное значение.
Таблица таких соотношений выглядит следующим образом:
| Температура, °С | Давление, мПа |
| 0,1 | |
| -1 | 1 |
| -2 | 30 |
| -3 | 40 |
| -4 | 50 |
| -5 | 60 |
| -10 | 110 |
| -22 | 210 |
Как происходит процесс?
Снижение температуры замерзания при увеличении давления имеет физическое обоснование.
Пресная жидкость при замерзании расширяется примерно на 10%. У соленой морской воды расширение будет меньшим, но оно все равно происходит.
Поэтому, когда внешнее давление растет, то температура замерзания снижается. Суть процесса замерзания состоит в кристаллизации воды.
Но в отличие от других жидкостей, вязкость воды при увеличении давления уменьшается. Что и обусловило более медленные процессы кристаллизации.
Это объясняется структурными особенностями молекул и некоторыми механизмами взаимодействия между ними. Для того, чтобы процесс начался, нужен центр кристаллизации, состоящий из нескольких десятков молекул.
В природных условиях пресная вода всегда содержит примеси – пылинки, молекулы соли и т.д. Все они могут стать центрами кристаллизации, поэтому процесс будет протекать быстрее, чем при тех же условиях, но в очищенной воде в лабораторных условиях.
Каково давление замерзающей жидкости?
Давление замерзающей воды обусловлено тем, что происходит ее расширение. Однако давление она оказывает и в жидком виде, просто при отрицательных температурах оно увеличивается примерно на 10%.
Как влияет тип воды?
Дистиллированная влага в принципе замерзает медленнее даже при нормальном атмосферном давлении. В отличие от других видов пресной воды, она не содержит сторонних примесей.
В ней отсутствуют ядра кристаллизации, и поэтому она замерзает только при очень низких температурах – эксперименты показали, что при -42°С.
Физики называют такую жидкость переохлажденной. Любопытно, что если постучать по сосуду с такой дистиллированной водой, она практически моментально превратится в лед.
В лабораторных условиях проводились эксперименты, при которых давление увеличивали до очень высоких значений, так что дистиллят замерзал только при -70°С.
Наличие любых примесей, в том числе и тех, что находятся в минеральной воде, повышает температуру замерзания, даже, если прочие условия остаются теми же.
Что касается остальных растворов, то здесь, помимо давления, важную роль играет еще и плотность – например, у соленой воды она намного выше.
Но при этом при отрицательных температурах частицы соли как бы выталкиваются. И если растопить многолетний морской лед, то окажется, что он состоит из пресной воды, даже пригодной для питья.
Применение знаний в быту человека
В основном сведения о температуре замерзания воды нужны тем, кто сталкивается с прокладкой водопровода.
Как правило, ее замерзание в таких случаях проходит не на подземном участке трубы, а над поверхностью почвы, и далее идет процесс кристаллизации уже в наземном участке.
Чтобы этого не происходило, поскольку замерзание и расширение воды выводит из строя всю систему и нарушает целостность труб, принимают активные и пассивные меры – от утепления трубы до специально обустроенной системы обогрева.
Но очень важно с самого начала правильно сделать расчеты, подбирая производительность оборудования и диаметр труб таким образом, чтобы создать такое давление, при котором вода не будет замерзать при климатических условиях, характерных для этого региона.
Сведения об этих показателях и их соотношениях также нужны тем, кто занимается прокладкой отопительных систем. Важны они и для автомобилистов, которым приходится часто сталкиваться с замерзанием жидкости в радиаторе.
Заключение
Температура замерзания воды под давлением – вопрос более сложный, чем могло бы показаться на первый взгляд. Иногда даже в быту для ее расчета нужно применять громоздкие формулы или готовые таблицы соотношений.
А какова Ваша оценка данной статье?
Источник
Что происходит с объемом воды при замерзании?
Сначала вода уменьшается в объёме. Так происходит, пока температура не достигнет 4°C. При дальнейшем охлаждении вода медленно расширяется, а при замерзании 0°C скачкообразно расширяется. В итоге объём воды увеличивается примерно на 10% – так что может разорвать ёмкость, в которой замерзает.
Как расширяется вода при замерзании?
При дальнейшем охлаждении воды ниже 4°С она начинает расширяться. Данное расширение продолжается, пока температура не понизится до тройной точки (О °С). … Но происходит физическое, а не тепловое расширение, так как молекулы воды образуют кристаллическую структуру.
Когда вода сжимается А когда расширяется?
При охлаждении до 4х градусов вода сжимается, до 0 градусов постепенно расширяется, а при температуре ниже 0 переходит в твердое состояние – лед и расширяется гораздо сильней, чем в жидком состоянии.
Почему лед при замерзании расширяется?
Расстояние между молекулами становится больше, плотность воды – меньше. В результате образуется кристаллическая структура воды, которую мы знаем как лед. … Но и здесь вода не обходится без сюрпризов. В отличие от остальных жидкостей, она при замерзании не сжимается, а расширяется.
Какие жидкости при замерзании расширяется?
Расширение Некоторые вещества, такие как вода и висмут, расширяются при замерзании.
Почему при замерзании воды в бочке бочка трескается?
Всем нам известно, что при замерзании вода превращается в лёд и расширяется, что приводит к порче бочки с водой – она трескается, либо у неё выдавливает дно. Поэтому на зиму воду из бочек выливают, а бочку переворачивают вверх дном.
Каким важным свойством обладает вода в жидком состоянии?
Одно из важных свойств воды в жидком состоянии – способность растворять в себе многие вещества. В воде с легкостью растворяются различные кристаллы (соль, сахар), щелочь (мыло).
Почему плотность льда меньше плотности воды?
Ажурная кристаллическая структура такого льда приводит к тому, что его плотность, равная 916,7 кг/м³ при 0 °C, меньше плотности воды (999,8 кг/м³) при той же температуре. Поэтому вода, превращаясь в лёд, увеличивает свой объём примерно на 9 %.
Почему при замерзании воды треснула бутылка?
Когда вода замёрзла, лопнула и раскололась на куски. Это произошло потому, что вода при замерзании расширяется. … Когда вода замерзает и превращается в лёд, она расширяется и разрывает их.
Почему водоемы не промерзают до конца?
Холодная и легкая «верхняя» вода плавает над более теплой, а следовательно, тяжелой глубинной. Перемешивание слоев происходит очень медленно, поэтому верхний слой воды, а затем и лед не дают озеру промерзнуть, и зимой температура в глубине озера держится в пределах от 1 до 4 градусов тепла.
Когда вода сжимается?
Жидкости обычно увеличивают объём (расширяются) при нагревании и уменьшают объём (сжимаются) при охлаждении. Впрочем, встречаются и исключения, например, вода сжимается при нагревании, при нормальном давлении и температуре от 0 °C до приблизительно 4 °C.
Когда вода замерзает?
0°C
Что происходит с водой при превращении в лед?
При подводе теплоты лёд будет плавиться, объём воды будет увеличиваться, объём льда будет уменьшаться. Суммарный объём воды и льда будет уменьшаться (потому как плотность льда меньше плотности воды).
Что происходит с водой после разморозки?
Плюсы у воды появляются «при минусе», то есть после ее замораживания. В естественной среде молекулы воды объединяются в кольцо, образуя правильную звездочку-снежинку с шестью лучами. Структурированная таким образом вода хорошо снабжает клетки нашего тела кислородом, питательными и минеральными веществами.
Источник
- Александр (алекса)
- 12.07.2014, 21:24
- Просмотров: 1580
про давление при замерзании воды в сосуде.
Обсуждение закрыто модератором
Александр (алекса) 12.07.2014, 21:29 #
Re: про давление при замерзании воды в сосуде. Имеем, некую абстрактную ёмкость.
бутылка-канистра-ведро
на зиму, на улице, там осталось вода.
Вода замёрзла, ёмкость, естественно, — лопнула.
Вопрос–
— возможно-ли, теоретически, посчитать давление(допустим в bar. или в атм.), которое развивает вода, при замерзании??
— спасибо
Vladimir_K 01.08.2014, 14:05 #
Классическая задача по сопромату, поэтому учебник в помощь.
> Имеем, некую абстрактную ёмкость.
> бутылка-канистра-ведро
***Форма ёмкости весьма критична.
> на зиму, на улице, там осталось вода.
> Вода замёрзла, ёмкость, естественно, — лопнула.
***Не факт, что лопнула. Зависит от материала и толщины стенок. Может, напр., раздуть, ежели материал пластичный. Или выдержать, ежели стенки толстые.
> Вопрос–
> — возможно-ли, теоретически, посчитать давление(допустим в bar. или в атм.), которое развивает вода, при замерзании??
***Конечно же возможно! Коэффициент объёмного расширения воды при замерзании известен, модуль Юнга льда также не является тайной, “котельные формулы” для расчёта сосудов, работающих под давлением – в любом учебнике по сопромату.
> — спасибо
>
PeterVN 22.07.2014, 15:05 #
Вообще самое первое надо определиться с тем что такое давление. Пока в сосуде жидкость или газ давление это то что покажет манометр. После замерзания воды получается лёд, который уже твёрдое вещество, и грамотнее говорить не о давлении, а о контактной нагрузке. Принципиально то, что эта нагруза уже не распределяется так равномерно как давление воды и газа.
При замерзании лёд занимает бОльший объём чем вода. Сам лёд практически не сжимаем в обычных бытовых условиях. Если дырки у сосуда нет, то давление будет определяться тем, какое усилие создадут стенки сосуда при растягивании до размеров льда. Если дырка есть, то при замерзании лёд выдавливается из дырки. У льда есть некоторая пластичность, и он в итоге вылезает из дырки. В таком варианте давление определяется балансом сопротивления льда к деформации и выталкивании через дырку, и тем какое давление создаёт сосуд при растягивании. Типичный пример это ведро с небольшим количеством воды. Дно выгибает, но часто не отрывает до конца. Чем больше воды в ведре, тем больше сопротивление выдавливанию льда вверх, и тем сильнее выпирает дно.
magryba 14.07.2014, 13:34 #
Если честно – то что-то дофига Интернет утверждает о 500кг/см квадратный при -4 и 2200кг/см квадратный при -22
cutlass 15.07.2014, 15:19 #
так и что будет если гипотетически ее в неком вакууме начать морозить в “сверхвысокопрочном абсолютно недеформируемом сосуде”?
magryba 15.07.2014, 23:01 #
замерзнет под давлением же. При снятии давления – лёд разбухнет на свои 10% с растрескиванием..
mixalыч 17.07.2014, 22:43 #
Неправда ваша. Чоткая зависимость -PV=MKT.
PeterVN 22.07.2014, 14:54 #
Если это та формула о которой я подумал, то она для газа.
mixalыч 23.07.2014, 21:17 #
Ага. Но тут такой чушЫ нанесли, что мне можно тоже
magryba 18.07.2014, 00:25 #
расшифруйте пожалуйста формулу
Evgen – LR 15.07.2014, 12:59 #
это если воздуха в сосуде нет который будет сжиматься в первую очередь
magryba 15.07.2014, 22:58 #
если воздуха нет вода увеличится в объеме, замерзнет и ничего не разорвет, потому что сожмет воздух.
mixalыч 20.07.2014, 01:01 #
ржунимагу! ведро с водой поставь на мороз.
Александр (алекса) 20.07.2014, 07:53 #
Re: ржунимагу! ведро с водой поставь на мороз. Даже 5-7 сантиметров воды, забытые в стальном ведре, на морозе выдавливают дно.
mixalыч 23.07.2014, 21:16 #
Дык а я о чём? А тут рассуждают о сжатии воздуха….
magryba 25.07.2014, 15:23 #
Речь тащемта шла о недеформируемом сосуде а не о жестяном ведре. Тогда первым сломается и вспучится лёд и сожмет таки воздух.
Big Brother 26.07.2014, 02:06 #
Штоп ведро или бочку не разорвало существует дедовский вековой опыт: в ведро (бочку) вставляют деревянную палку.
Александр (алекса) 26.07.2014, 22:47 #
Re: Штоп ведро или бочку не разорвало существует а разве стояла задача,
ЧТОБЫ НЕ РАЗОРВАЛО??
cutlass 14.07.2014, 12:38 #
от 0 до бесконечности 🙂 для того чтобы посчитать н адо знать значения прочностные-текучестные материала – вот им-то как раз и будет соотв то давление, которое эта самая вода и развивает….помнишь- “сила действия равна силе противодействия”…
Александр (алекса) 14.07.2014, 21:53 #
Re: от 0 до бесконечности 🙂 для того чтобы посчитать н ОФФ, cutlass.
у меня мероприятие переносится с четверга на пятницу.
не могу до тебя дозвонится.
cutlass 15.07.2014, 15:11 #
ок! наберу…по-любому – морально я настроился увиде ть тебя…
Источник