Физика Почему вода легче; воды

При какой температуре замерзает вода

Вода занимает две третьих земной поверхности и примерно столько же – в организме каждого из нас. Вода повсюду, однако до сих пор не изучена до конца, и даже самые простые ее свойства оставляют множество вопросов. Например, каждый школьник знает, что H2O может быть в трех состояниях: в жидком это вода, в газообразном – пар, и в твердой форме – лед. Но так ли очевиден ответ на вопрос, при какой температуре замерзает вода?

Что влияет на градус замерзания

Представим, что у нас есть идеальная среда с температурой ровно 0°C – общеизвестно, что вода замерзает именно при этом градусе – и в эту среду мы помещаем кусочек льда и воду в жидком состоянии. Что произойдет? Собственно, ничего: вода не замерзнет, а лед не начнет таять. Объяснение в том, что в данной модели нет условий для фазового перехода.

Простыми словами: помимо снижения температуры до определенного градуса, на замерзание воды влияют и другие факторы. Один из них – атмосферное давление, которое создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. И температура замерзания воды находится в прямой зависимости от давления.

Рассмотрим это на примере: чем выше мы поднимаемся над уровнем моря, ниже становится атмосферное давление и тем выше должна быть температура для кристаллизации воды. На высоте в 1000 метров вода замерзает при температуре +2 °C; поднявшись еще на километр, мы увидим, что вода кристаллизируется уже при +4 °C.

Наличие примесей

Также, кроме давления и температуры, на замерзание воды влияет ее состав: в ней в том или ином количестве находятся органические и минеральные частицы, то есть кусочки глины, песка, пыли. Когда температура в окружающей среде снижается до необходимого градуса, вокруг этих частиц образуются кристаллы: кусочки пыли, песка, камня выполняют роль ядрового центра, вокруг которого начинается процесс кристаллизации.

А в дистиллированной (очищенной) воде процесс замерзания протекает иначе: поскольку в ней нет потенциальных ядер кристаллизации, вода может охладиться до минусовой температуры, но не замерзнуть.

Итак, время замерзания воды зависит от таких факторов:

  • атмосферное давление в окружающей среде;
  • температура воздуха;
  • количество жидкости;
  • ее химический состав;
  • в какой емкости находится H 2 O (или отсутствие емкости).

Феноменальные свойства H 2 O

Приведем еще несколько фактов об удивительном поведении воды:

  • При замерзании молекулы воды расширяются, и ее масса становится тяжелей массы льда. Лед, согласно закону Архимеда, выталкивается на поверхность. Таким образом природа закрывает коркой льда водоемы, защищая и сохраняя все живое в их глубинах.
  • Горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Звучит невероятно, но это так. Называется это явление «парадокс «Мпембы». Дело в том, что у горячей воды больше теплоотдача и более высокая насыщенность ядрами кристаллизации.
  • В вакууме при 0°C вода сначала закипает, потом одна восьмая ее испаряется, а оставшееся количество замерзает.
  • Учеными при лабораторных исследованиях была получена так называемая стеклообразная вода – аморфная твердая субстанция, из которой состоят кометы во Вселенной. Для перехода воды в такое состояние необходимо за считаные миллисекунды понизить температуру до -137 градусов Цельсия.
  • Максимальной плотность H 2 O будет при +4°C.
Читайте также:  Цапфа устройство и неисправности

Моментальная заморозка воды – 5 невероятных трюков: Видео

Почему вода при замерзании расширяется

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.

Читайте также:  Ресурс вариатора Jatco JF015E составляет 250 тыс

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.

Почему вода замерзает? Описание, фото и видео

Вода – это вещество, которое может наблюдаться в трех агрегатных состояниях. Она может замерзать и быть твердым льдом, она бывает в жидкой форме, и также она присутствует в виде пара – не только в бане, но и в небе, в виде облаков. Однако в рамках данной статьи остановимся на первом ее состоянии, твердом.

Вода замерзает, образуя кристаллики твердого льда. Лед может формировать многокилометровые поверхности, покрывая реки, озера и другие водоемы. При этом он оказывается легче жидкой воды и всегда находится сверху. Замерзает вода из-за понижения температур.

Температуры и агрегатное состояние веществ

Чем выше температуры, тем дальше отстоят между собой молекулы любых веществ. Их отдаление друг от друга приводит к размягчению вещества, которое сначала становится жидким, а потом и вовсе газообразным. Этот процесс можно рассмотреть на примере железа, которое плавится в тигле и обретает жидкую форму. При сильном повышении температур оно может стать и газообразным, то есть, испариться, но для этого температура должна быть по-настоящему высокой.

Читайте также:  Как определить количество бензина в баке с точностью до литра

Вода же при обычной комнатной температуре является жидкостью. При повышении температур она станет паром, а при понижении – льдом. Ведь понижение температуры имеет обратное влияние на молекулы – они сближаются. А при их сближении вещество становится тверже, плотнее. Такого же эффекта можно добиться при механическом прессовании любого вещества- оно станет тверже, опять же из-за сближения молекул.

Что происходит при понижении температур?

Когда на воду оказывается влияние пониженных температур, молекулы сближаются, образуя шестигранные формы. Разумеется, это снежинки, которые являются кристаллами воды. Остывание воды и ее кристаллизация – это фактически синонимы, описывающие один и тот же процесс. Вода начинает кристаллизоваться при температуре в 0 градусов – именно этот момент и взят за нулевую отметку по шкале Цельсия. Если рассматривать американскую шкалу Фаренгейта, то здесь застывание воды будет происходить при 32 градусах.

Но для создания кристаллов воды нужна основа, какие-либо примеси или взвеси, благодаря которым стартует этот процесс. И если вода абсолютно чистая, здесь наблюдается несколько другое явление – порой она застывает только при -40 градусах, а при нуле и других не слишком низких отметках остается жидкой. Однако не замерзает она только в спокойном состоянии. Если ее взболтать при минусовых отметках, она немедленно превратится в лед.

Интересные факты

С водой связано множество парадоксов. И кроме уже описанного выше нюанса, необходимо отметить, что лед занимает больше объема, чем жидкая вода, то есть, при замерзании это вещество расширяется, в то время как другие наоборот занимают меньше объема при низких температурах. Именно с расширением воды при формировании льда и связано лопание бочек, труб и других объектов, оставленных на зиму заполненными водой.

На момент замерзания молекулы немного отдаляются друг от друга, что и дает такой эффект. И именно этот фактор, наряду с вмерзшими пузыриками воздуха, делает лед плавучим. Если бы он тонул или формировался со дна, ни одно живое существо в водоемах не смогло бы перезимовать. Но формируясь именно на поверхности, и оставаясь там, лед наоборот сохраняет тепло воды и выполняет защитную функцию в зимнее время, давая животным, растениям и рыбам возможность перезимовать и выжить.

Есть и другие интересные феномены. Так, практика показала, что горячая вода замерзает быстрее холодной, и это явление с удивлением наблюдали еще во времена античности. На данный момент существует несколько гипотез, объясняющих этот парадокс, но окончательного ответа так и не было найдено.

Вода – это загадочная стихия, и чем больше люди погружаются в ее изучение, тем больше необъяснимых загадок она приносит. На данный момент установлено, что она обладает памятью, может быть мертвой или живой. Она является универсальным растворителем, и имеет массу других уникальных качеств. Несмотря на ее изобилие и распространенность на нашей планете, она все еще сохраняет множество своих загадок, и с большинством из них ученым приходится только мириться. Ведь спорить с фактами затруднительно.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Ссылка на основную публикацию
Утечка тока в автомобиле как проверить мультиметром
Как мультиметром проверить утечку тока на автомобиле тестирование АКБ, устранение неисправностей Расход энергии бортовой системой автомобиля даже при выключенном зажигании...
Устройство автомобильного радиатора
Система охлаждения двигателя, что такое радиатор, ремонт Если в автомобиле хороший мощный двигатель и хороши все другие узлы, но нет...
Устройство автомобиля для «чайников» — просто о сложном
Что находится под капотом вашего автомобиля Информация для начинающих водителей Мат. доля для новичков, что находится под капотом автомобиля? Для...
Утилизация автомобильных шин и покрышек
Автомобильные шины; РазДельный сбор ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ Автомобильная шина состоит в основном из резины, а также в основе ее лежит корд....
Adblock detector