Что делать когда вода замерзает

Вода при замерзании расширяется или сжимается: простая физика

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

Замерзла вода в пластиковой трубе — что делать и как устранить проблему?

Зима готовит нам всем неожиданные сюрпризы, иногда не очень приятные. Когда дело касается систем коммуникации, то их выход из строя может обернуться весьма плачевно. Когда речь идет о металлических коммуникациях, то их промерзание можно предсказать. Иное дело — металлопластиковые трубы, которые обладают большей стойкостью к морозу. Тем не менее, и такие трубопроводы часто замерзают.

Нередко приходится слышать от жителей частных домов такие слова: замерзла вода в пластиковой трубе — что делать? Особенно обидно становится тогда, когда в доме нет запаса питьевой воды. Поэтому знать, что делать в случае замерзания пластикового водопровода, нужно каждому владельцу дома.

Зачастую, причины такого явления кроются в изначально неправильной прокладке коммуникаций. Все водные магистрали, независимо от материала, должны размещаться на такой глубине, которая не промерзает даже в очень суровую зиму.

Если нет возможности выкопать траншею глубоко, то необходимо надежно обмотать трубы теплоизоляционными и влагостойкими материалами. Итак, что же делать, если водопровод все-таки замерз? Рассмотрим два случая, когда замерз водопровод внутри и снаружи дома.

Как разморозить пластиковую трубу в помещении?

Когда мы говорим, что замерзли пластиковые трубы внутри помещения, это означает, что к ним есть свободный доступ. Например, они могут быть расположены на чердаке или в подвале, то есть, в таких местах, где отсутствует отопление.

В этом случае процесс разморозки может быть выполнен несколькими способами:

• С помощью горячей воды. Замерзший участок обматывают тканью и поливают горячей водой. Время работы зависит от протяженности ледяной пробки. Размороженную трубу необходимо укрыть утеплителем во избежание ее повторного замерзания.

Место промерзания определяют на ощупь. Там, где пластиковая труба более холодная, там и находится ледяная пробка.

• При помощи строительного термофена . Струя теплого воздуха направляется от фена на поверхность трубы. Несмотря на высокую эффективность данного способа, такая работа считается опасной. Если воздух будет слишком горячим, то ПВХ может просто расплавиться. Поэтому температуру фена необходимо выставить на минимум.
• С использованием электрообогрева. Металлопластиковая труба обматывается электрическим нагревательным проводом, который подключается к электросети. Провод наматывается витками. При наличии небольшого замерзшего участка разморозка происходит достаточно быстро. Отогрев пластикового водопровода занимает до 3 часов.

Внимание! Водопроводные краны в процессе разморозки должны быть открыты, так как растаявшая вода должна свободно вытекать из трубопровода.

Если коммуникации замерзают под землей?

Гораздо сложнее обстоит дело в случае, если замерзла металлопластиковая труба под землей. Наиболее простой способ — раскопать траншею, которая будет не очень глубокой. После этого применить один из способов, используемых для разморозки внутридомовых трубопроводов. Однако на практике такой вариант обычно неприемлем ввиду того, что копать замерзшую землю очень трудно, да и пластиковую трубу можно случайно повредить. Поэтому рассмотрим альтернативные варианты.

Разморозка пластикового водопровода при помощи горячей воды

Подогретая вода должна подаваться внутрь трубы, непосредственно к ледяной пробке. Для этого нужно отсоединить пластиковую трубу от кранов. Дальнейшие работы производятся в следующем порядке. В железной бочке нагревается вода. Это можно сделать на костре или нагреть ее в доме. В пластиковую трубу заводится труба меньшего диаметра или шланг. Конец шланга должен упереться в ледяной затвор.

После этого в шланг нужно подать горячую воду из бочки. Сделать это можно при помощи нагнетательного насоса. Горячая вода будет достаточно быстро растапливать лед. Шланг необходимо продвигать по трубе вперед по мере разморозки льда.

Когда вся пробка растает, из трубы сильным напором польется вода. После этого насос можно выключить. Отогрев трубы из металлопластика данным способом занимает немного времени. Гораздо дольше проходит подготовка к процессу размораживания.

Совет: открытые участки пластиковой трубы необходимо укрыть утеплителем во избежание повторного замерзания.

Разморозка при помощи электричества

Для этого нужно взять жесткий двухжильный провод и подвергнуть его некоторой доработке. Одна жила провода отделяется от другой и освобождается от изоляции. После этого голый провод сворачивается в скрутку. Второй провод отгибается назад и также очищается от изоляции. Точно так же делается скрутка провода. В результате этой операции должен получиться провод с двумя оголенными скрутками, расположенными друг от друга в паре сантиметров.

Внимание! Провода в процессе работы не должны соприкасаться между собой, поэтому скрутки следует делать очень прочными, не допускающими разматывания провода. Соприкосновение проводов может привести к удару электротоком.

Подготовленный провод заводится внутрь трубы до самого ледяного препятствия, после чего подключается к сети. Нагрев воды и льда происходит за счет разности потенциалов на скрутках. При этом стенки пластиковой трубы не плавятся, так как нагревается лишь внутреннее содержимое трубы. По мере разморозки провод нужно продвигать дальше по трубе.

Недостатком такого метода является необходимость откачки из трубопровода талой воды. Если ее не откачивать, она может снова замерзнуть. Для откачки можно использовать компрессор или насос.

Также можно упомянуть еще несколько способов разморозки пластиковых труб, которые доступны далеко не каждому владельцу дома.

Справедливости ради перечислим их:

• использование парогенератора. Шланг парогенератора проталкивают внутрь по трубе и пускают под давлением пар. Поскольку температура пара выше, чем у кипящей воды, то процесс разморозки проходит очень эффективно. Если замерзла пластиковая труба, а у вас есть парогенератор, то вам можно не беспокоиться о трубах. Недостаток способа — не у всех имеется подобный агрегат;
• разморозка при помощи автоклава. Тут также используется горячий пар. Нужно нагреть в автоклаве воду, а в трубу задвинуть шланг. Соединить второй конец шланга с автоклавом. По мере закипания воды образующийся пар пойдет по шлангу в трубу и будет растапливать лед. Вместо автоклава можно использовать другой прибор, например, пароварку.
• отогрев гидродинамической машиной. Это специальное оборудование, которое используется в промышленных целях. Устройство создает повышенное давление в трубе, которое разбивает лед буквально за минуты. Специальный шланг заводится в трубу как можно дальше. После этого машина включается в работу. Через пару минут льда в трубе не остается.

Мы разобрали все основные способы разморозки пластиковых труб. Какой из этих способов применить, решите сами. А на будущий год постарайтесь устранить проблему промерзания труб.

Источник

Почему вода расширяется при замерзании?

Когда вода замерзает, ее молекулы выстраиваются в кристаллическую структуру, тем самым приобретая определенную форму. Эта кристаллическая структура менее плотная, и поскольку между отдельными молекулами в структуре есть промежутки, общий объем увеличивается, и вода «расширяется».

С беглого взгляда фраза «вода расширяется, когда она замерзает» может не иметь смысла, потому что в жидкой форме вода не имеет определенной формы или очертаний и поэтому, кажется, занимает больше места. Кроме того, когда вода замерзает, она принимает четко определенную форму, которая кажется совершенно противоположной «расширению».

Действительно ли вода расширяется при замерзании?

Да, вода расширяется при замерзании. Обратите внимание, что слово «расширяется» в этом предложении означает увеличение объема. Поэтому технически правильно было бы сказать так: объем воды увеличивается при замерзании.

Это утверждение является точным, и вы можете проверить его правомерность с помощью простого эксперимента: если вы снизите температуру воды, вы заметите, что объем воды уменьшается, поскольку она становится все более и более «нетронутой».

Вы можете обратиться к следующей диаграмме, чтобы представить эту зависимость графически:

Обратите внимание, что объем воды начинает увеличиваться при понижении температуры ниже 4 градусов Цельсия.

Теперь давайте поговорим о том, почему увеличивается объем воды или почему она расширяется, когда замерзает и достигает твердой формы.

Почему объем воды увеличивается, когда она замерзает?

Это явление связано с химическим составом воды. Видите ли, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Расположение этих атомов совершенно уникально, что придает воде некоторые особые свойства, такие как высокая теплоемкость воды, поверхностное натяжение, адгезия и когезия.

Является ли вода полярной или неполярной?

Химическая структура молекулы воды.

Такое расположение молекулы воды создает положительно заряженную сторону возле атомов водорода и отрицательно заряженную сторону возле атома кислорода.

Когда две молекулы воды сближаются, положительная сторона одной молекулы цепляется за отрицательную сторону другой молекулы. Когда это происходит в больших масштабах (т.е. с миллионами молекул воды), получается уникальная структура, которая объясняет некоторые химические свойства воды.

В жидком состоянии молекулы воды могут свободно перемещаться, образуя и разрывая водородные связи, что объясняет неправильную форму воды (или любой другой жидкости, если на то пошло). Некоторые молекулы воды часто «уложены» друг на друга, что объясняет более высокую плотность воды по сравнению со льдом.

Расположение молекул воды в жидком состоянии.

Однако по мере снижения температуры и охлаждения воды межмолекулярные силы увеличиваются, свобода движения молекул воды уменьшается, и они становятся все менее энергичными (с понижением температуры).

Когда вода достигает точки замерзания, движение ее молекул становится незначительным, и они приобретают более определенную форму, располагаясь в виде шестигранных решеток.

Ниже приведен упрощенный вариант расположения молекул воды в кристаллической форме во льду:

Расположение молекул воды в твердой форме.

Это кристаллическое расположение молекул воды менее плотное, поскольку оно не позволяет молекулам скапливаться (как это происходит в жидкой форме) из-за более сильных межмолекулярных сил.

Такое расстояние между молекулами и их фиксация в таком положении увеличивает объем воды, поэтому говорят, что вода расширяется при замерзании.

Почему лед плавает по воде

Вода расширяется, когда становится льдом, и, поскольку объем обратно пропорционален плотности вещества, лед менее плотен, чем вода. По этой причине лед, вещество, которое кажется более тяжелым, чем его жидкая форма, плавает на воде.

Если бы вода не расширялась при замерзании, лед был бы плотнее воды. Подумайте о влиянии на экосистему планеты! Лед на поверхности озер, морей и океанов утонет, и эти водоемы будут постепенно заполняться снизу вверх. С замерзшими озерами и океанами на Земле не было бы водной жизни.

С этой точки зрения очень хорошо, что вода расширяется в твердой форме!

Источник