Вода в сосуде при замерзании
Многие юные почемучки задаются вопросом: при замерзании вода расширяется или сжимается? Ответ следующий: с приходом зимы вода начинает свой процесс расширения. Почему это происходит? Это свойство выделяет воду из списка всех остальных жидкостей и газов, которые, наоборот, сжимаются при охлаждении. В чем заключается причина такого поведения этой необычной жидкости?
Физика 3 класса: вода при замерзании расширяется или сжимается?
Большинство веществ и материалов увеличиваются в объеме при нагревании и уменьшаются при охлаждении. Газы этот эффект показывают более заметно, но различные жидкости и твердые металлы проявляют такие же свойства.
Одним из наиболее ярких примеров расширения и сжимания газа является воздух в воздушном шаре. Когда мы выносим воздушный шар на улицу в минусовую погоду, то шар сразу уменьшается в размерах. Если мы шар вносим в отапливаемое помещение, то он сразу же увеличивается. А вот если мы внесем воздушный шар в баню – он лопнет.
Молекулы воды требуют больше места
Причиной тому, что происходят эти процессы расширения и сжатия различных веществ, являются молекулы. Те из них, которые получают больше энергии (это происходит в теплом помещении), двигаются намного быстрее, чем молекулы, находящиеся в холодном помещении. Частицы, которые имеют большую энергию, сталкиваются намного активнее и чаще, им необходимо больше места для движения. Чтобы сдержать то давление, которое оказывают молекулы, материал начинает увеличиваться в размерах. Причем это происходит достаточно стремительно. Итак, вода при замерзании расширяется или сжимается? Почему это происходит?
Вода не подчиняется этим правилам. Если мы начинаем охлаждать воду до четырех градусов Цельсия, то она уменьшает свой объем. Но если температура продолжает падать, то вода вдруг начинает расширяться! Существует такое свойство, как аномалия плотности воды. Это свойство возникает при температуре в четыре градуса Цельсия.
Теперь, когда мы выяснили, расширяется или сжимается вода при замерзании, давайте узнаем, как вообще возникает эта аномалия. Причина таится в частицах, из которых она состоит. Молекула воды создана из двух атомов водорода и одного – кислорода. Формулу воды все знают еще с начальных классов. Атомы в этой молекуле притягивают электроны по-разному. У водорода создается положительный центр тяжести, а у кислорода, наоборот – отрицательный. Когда молекулы воды сталкиваются друг с другом, то атомы водорода одной молекулы переходят на атом кислорода совершенно другой молекулы. Этот феномен называется водородной связью.
Воде нужно больше места при ее охлаждении
В тот момент, когда начинается процесс формирования водородных связей, в воде начинают возникать места, где молекулы находятся в том же порядке, что и в кристалле льда. Эти заготовки называются кластерами. Они не прочны, как в твердом кристалле воды. При повышении температуры они разрушаются и меняют свое местоположение.
Во время процесса охлаждения воды начинает стремительно увеличиваться количество кластеров в жидкости. Они требуют больше пространства для распространения, вследствие этого вода и увеличивается в размерах после достижения своей аномальной плотности.
При падении столбика термометра ниже нуля кластеры начинают превращаться в мельчайшие кристаллы льда. Они начинают подниматься вверх. Вследствие всего этого вода превращается в лед. Это очень необычная способность воды. Данный феномен необходим для очень большого количества процессов в природе. Мы все знаем, а если не знаем, то запоминаем, что плотность льда незначительно меньше плотности прохладной или же холодной воды. Благодаря этому лед плавает на поверхности воды. Все водоемы начинают замерзать сверху вниз, что позволяет спокойно существовать и не замерзать водным обитателям на дне. Итак, теперь мы в подробностях знаем о том, расширяется или сжимается вода при замерзании.
Интересный феномен
Горячая вода замерзает быстрее холодной. Если мы возьмем два одинаковых стакана и нальем в один горячей воды, а в другой столько же холодной, то мы заметим, что горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Это не логично, согласитесь? Горячей воде нужно остыть, чтобы начинать замерзать, а холодной этого не нужно. Как объяснить данный факт? Ученые по сей день не могут объяснить эту загадку. Данный феномен имеет название «Эффект Мпембы». Открыт был в 1963 году ученым из Танзании при необычном стечении обстоятельств. Студент хотел сделать себе мороженое и заметил, что горячая вода замерзает быстрее. Об этом он поделился со своим учителем физики, который сначала не поверил ему.
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
Этот вопрос уходит своими корнями в седую древность. Очевидно, что плотность льда меньше воды. Именно по этой причине льдинки всегда плавают сверху воды. Если вы вспоминаете стакан с виски, в котором кубики льда падают на дно – у виски плотность существенно отличается от воды и это сравнение не к месту. Не все жидкости ведут себя при изменении условий одинаково. Вода уникальна. Так давайте попробуем разобраться, как же она себя ведёт при охлаждении в разных условиях.
Как происходят изменения плотности воды при охлаждении
Лёд всегда будет находиться на поверхности, и его плотность равняется 917 кг на 1 метр кубический. Вода же имеет плотность равную 1000 килограммов на метр кубический при температуре в 25 градусов Цельсия. С дальнейшим понижением температуры плотность воды возрастает до 4 градусов, но затем при понижении температуры ниже 3.98 градусов Цельсия плотность воды начинает стремительно понижаться вплоть до образования из жидкости куска льда.
А что же при температурных изменениях происходит с объёмом?
С объёмом чудес ни каких не возникает и всё происходит закономерно. Отталкиваясь от практических исследований можно заметить, что наивысшую плотность и наименьший объём вода имеет при температуре в 3.98 градусов Цельсия. Эта и будет точка отсчёта.
При повышении температуры вода увеличивается в объёме, но незначительно. Так происходит до кипения. Плотность воды при кипении в нормальных атмосферных условиях равна 9.584 килограмма на метр кубический и температуре в 100 градусов Цельсия. При повышении давления вода в сосуде закипает при большей температуре. Это свойство наглядно проявляется в скороварке – чем больше давление, тем быстрее готовятся продукты, так как температура кипения практически любой жидкости возрастает.
Как ведёт себя кристаллическая решётка во время смены агрегатных состояний?
Но при понижении температуры воды ниже нашей точки отсчёта (3.98 градусов Цельсия) вода также расширяется. А связано это с глобальным перестроением кристаллической решётки жидкого вещества в твёрдое. Кристаллические решётки в первую очередь соответствуют агрегатному состоянию исследуемого вещества. Вода уникальна и способна находиться в трёх агрегатных состояниях одновременно – жидком, твёрдом и газообразном.
При понижении температуры жидкости с точки отсчёта до нуля происходит переход из одного агрегатного состояния в другое с резким изменением плотности и объёма. Плотность стремительно понижается, а объём резко увеличивается во время превращения из воды кристаллов льда. Тем самым вода при температуре в 1 градус Цельсия будет иметь плотность приблизительно в 980 килограммов на метр кубический, а при дальнейшем охлаждении её до 0 плотность понизится до 917 кг/м куб. При дальнейшем охлаждении плотность льда не изменяется и лёд не способен образовываться из жидкости чрезвычайно долго. Объём льда, полученного из относительно чистой воды, в 1.1 раза превышает объём воды при нормальных температурных условиях.
Как происходит образование льда на морях и больших водоёмах?
Процесс ледообразования на открытой водной глади, который в народе называют ледоставом, на самом деле обладает рядом характерных особенностей и имеет некоторые отличия, обусловленные характерными особенностями рассматриваемого водоёма.
С неглубокими водоёмами зачастую всё понятно. Но следует помнить, что в местах впадения в них ручьев и на стёках, лёд из-за движения более-менее тёплых вод значительно тоньше основного слоя.
Глубокие водоёмы консервируются ледяным покровом всегда значительно позже. Обусловлено это тем, что верхний слой вод охлаждается и плавно оседает на низ, смешиваясь по дороге с более тёплой водой. В результате этого круговорота у берегов появляется уже значительный слой ледяного покрова, а на глубоких участках водоёма по-прежнему имеются полыньи, которые угрожают жизни зазевавшимся рыболовам.
А в морях вообще ситуация с замерзанием самая необычная, так как в море вода солёная. Соль в составе воды увеличивает её плотность и делает её устойчивой к промерзанию. Можете проверить всё на практике. С помощью соли можно из воды сделать очень густой и тягучий раствор, напоминающий кисель с невероятно высокой плотностью и практически не замерзаем при температуре до -25-30 градусов Цельсия. Но для этого в воде придётся растворить довольно большое количество соли.
В море же солёность воды измеряется в промилле. И её содержание в каждом море отличается. Но замерзает морская гладь обычно самой последней. В море имеются большие глубины, благодаря которым его поверхность надолго сохраняет подвижность. Льдинки при сильном морозе уже в больших количествах присутствуют в морской воде, однако из за волн у них тяжело получается сковать его поверхность.
Почему в промёрзшем сосуде в частности случаев вырывает дно?
Для получения ответа на данный вопрос стоит рассмотреть весь процесс образования льда в сосуде. Если вода, остужаясь движется на низ, то лёд, образовавшийся из воды будет скапливаться по краям сосуда. Это будет продолжаться до тех пор, пока вся поверхность воды не покроется сплошным слоем.
Затем движение водных масс не остановится. Воды остаётся всё меньше, а лёд продолжает намерзать. Причём намерзает он как раз на нижнюю часть образовавшейся корки. Но так происходит на начальном этапе. Затем корка уже плотно схватывается со стенками сосуда и не даёт постоянно прибывающему льду себя поднимать.
Следовательно, возникает сила, которая в равной степени воздействует на верхний слой, который покрыт льдом и дно нашего сосуда. Напряжение внутри сосуда продолжает расти. Давление возникает и на стенки. Но на стенки оно воздействует значительно ниже. В итоге страдает наиболее слабая часть сосуда, в частности случаев которой оказывается именно днище. У сосудов с большой площадью поверхности данного эффекта удаётся избежать. Та просто на поверхности воды вырастает сталагмит – ледяной бугор.
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