Как вода может замерзнуть при плюсовой температуре

Какая температура замерзания воды под давлением и для чего это необходимо знать?

Многие помнят из курса школьной физики о том, что температура замерзания воды составляет 0°.

На самом деле это определение нуждается в уточнении – при условии воздействия нормального атмосферного давления. Последнее в значительной степени можно считать условной величиной.

О том, какова температура замерзания воды, находящейся под давлением, расскажем в статье.

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.

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	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.

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.

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.

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.

Источник

Температура замерзания воды

Подпишитесь и получайте дополнительные скидки

Температура замерзания воды

Эффект «стекловидной» воды

Всем известно, что вода кипит при 100 °С, а замерзает при 0 °С. Но не все так однозначно. Оказывается, чистая вода, впрочем, и морская тоже, при нуле не замерзает.

Если очень медленно охладить очень чистую воду (в идеале для такого эксперимента нужна дистиллированная), она будет оставаться жидкой при очень низких температурах. В таком промежуточном между льдом и водой состоянии структура вещества становится «стекловидной». Длится это состояние недолго. Если в такую переохлажденную воду попадет небольшой кусочек льда, пылинка или снежинка, по всему объему мгновенно прорастут длинные кристаллы льда.

Секрет тут в особенностях кристаллизации, в примесях солей или других веществ. Именно они становятся «ядром», вокруг которого строится кристаллическая решетка. Разный состав определяет разную температуру замерзания. Ученые обнаружили, что вода может оставаться жидкой даже при переохлаждении до -48 °С при условии, что она идеально чистая, без солей и минералов. Если же в воде есть тяжелые металлы, то она начнет замерзать уже при +3,8 °С.

Эффект Мпембы

Вода преподносит и другие сюрпризы. Оказывается, при определенных условиях горячая вода замерзнет быстрее, чем изначально холодная. Этот факт замечали Аристотель и Рене Декарт, но название «эффект Мпембы» парадокс получил по имени танзанийского школьника Эрасто Мпембы, который в 1963 году обнаружил его при замораживании мороженого.

Парадоксально и то, что ученые до сих пор затрудняются найти единое объяснение этому феномену. Предположений много:

• разница температур в теплообмене;
• испарение (горячая вода испаряется быстрее);
• конвекция (эффект аномалии плотности);
• газы, которые растворены в воде;
• теплопроводность.

Все эти факторы проверяются в ходе исследований и экспериментов, но единого верного ответа и решения парадокса Мпембы современная наука пока что не дает. Зато эффект этот имеет широкое практическое применение в кулинарном деле.

Как заморозить воду

Особенности кристаллизации воды широко используются при ее очистке и смягчении. Вместо долгого кипячения, делающего воду мертвой, и отстаивания, которое позволяет избавиться лишь от хлора и газов, для получения идеально чистой воды существует технология вымораживания.

Вода, которая течет из крана, содержит не только грязь и ржавчину из труб, но соли, металлы, хлор, ненужные примеси, их можно убрать способом заморозки-разморозки, получив в итоге полезную талую воду. Этим способом можно очищать воду в домашних условиях, но есть ряд неудобств:

• необходима морозильная камера с низкими температурами;
• степень замерзания воды нужно постоянно контролировать;
• получается не более 60% чистой воды на выходе;
• для лучшего эффекта замораживать желательно не менее пяти литров воды.

Конечно, если у человека есть время, желание и возможность очищать воду вымораживанием дома, это неплохо. Но промышленные технологии куда точнее и эффективнее, используют методы шоковой и медленной заморозки по Лабзе, Муратову, Маловичко. В условиях жизни большого города и офисной работы, требующей концентрации и полного рабочего дня, тратить драгоценное время на длительные процедуры с домашней морозилкой нерационально. Надежнее поставить в офисе хороший кулер для воды с охлаждением и организовать постоянную доставку чистой воды прямо в офис. На нашем сайте можно найти телефоны доставки воды.

Источник

Физики доказали, что вода может существовать в нескольких жидких состояниях

ТАСС, 19 ноября. Американские ученые впервые получили переохлажденную воду, которая не замерзает при температуре –68 °С. Ее изучение позволило доказать, что вода на самом деле состоит как минимум из двух разных типов жидкости, обладающих разными физическими свойствами. Статью с описанием исследования опубликовал научный журнал Science.

«Пытаясь объяснить некоторые аномальные свойства воды при помощи расчетов на суперкомпьютерах, теоретики еще 30 лет назад предположили, что жидкая вода может существовать в двух разных состояниях. Эта противоречивая гипотеза была одним из самых важных вопросов в химии и физике воды, который не удавалось долго решить», – рассказал один из авторов исследования, профессор Городского университета Нью-Йорка (США) Николас Джовамбаттиста.

Долгое время ученые считали, что у воды есть лишь одно жидкое состояние. Эти представления начали меняться на рубеже веков, когда ученые обнаружили, что пространственная структура и некоторые физические свойства молекул воды зависят от того, в какую стороны «повернуты спины атомов водорода», а также раскрыли различия в химических свойствах двух подобных пространственных форм молекул воды, параводы и ортводы.

Аналогичным образом ученые при проведении экспериментов с водой, охлажденной до сверхнизких температур, предположили, что вода может существовать в жидком виде в двух разных формах, фазовых состояниях, обладающих сравнительно низкой и высокой плотностью. Трудности с их отделением друг от друга породили массу споров о том, существуют ли эти состояния в реальности или только в теории.

Скрытое многообразие форм воды

Эти проблемы, как объясняет профессор Джовамбаттиста, связаны с тем, что теория предсказывает, что вода будет находиться в двух четко отделимых фазовых формах только при сверхнизких температурах (около –60 °С), при которых она находится в так называемом переохлажденном виде.

Как правило, воду можно удерживать в жидком состоянии при температурах, не превышающих –48 °С, если удалить из нее все примеси и охлаждать ее очень быстро. В теории вода может оставаться жидкостью и при более низких температурах, составляющих около минус 70 градусов Цельсия, однако добиться этого крайне сложно.

Американские физики решили эту проблему, не охлаждая воду, а особым образом нагревая аморфный лед высокой плотности при помощи инфракрасного лазера, способного вырабатывать очень мощные, но при этом сверхкороткие импульсы теплового излучения.

Данные вспышки света были настолько непродолжительными, что плотность образца воды не менялась при таянии льда, что впервые позволило ученым увидеть то, как формируется вода высокой плотности и проследить за ее превращением — фазовым переходом — в воду легкой плотности, подсвечивая растаявший лед при помощи рентгеновского лазера.

Эти наблюдения подтвердили, что оба типа жидкостей обладают разными свойствами, а также показали, что плотная вода была примерно на 20% тяжелее, чем ее легкая разновидность. При определенных условиях, как показывают расчеты Джовамбаттисты и его коллег, обе формы переохлажденной воды не будут смешиваться друг с другом. Иными словами они будут взаимодействовать примерно так же, как обычная вода и масло, формирующие два четких слоя, если их налить в один и тот же сосуд.

«Пока не понятно, как присутствие двух типов воды будет влиять на поведение различных растворов и реакций между ними, в том числе и внутри живых организмов. Это толкает нас на проведение новых экспериментов с этими фазовыми состояниями жидкой воды», — подытожил профессор.

Источник

Вы знаете, при какой температуре вода становится льдом? Нет, это не 0 °C

Принято считать, что вода замерзает при 0 °C, но это не так. Если вода чистая, то в зависимости от условий ее охлаждения она может замерзнуть и при -42 °C.

В чем подвох

Для формирования кристаллов льда требуется основа, которой могут стать те же частички пыли. Когда этого нет, не стоит надеяться, что чистая вода замерзнет при 0 °C .

В качестве так называемых ядер кристаллизации способны выступать не только органические и минеральные частицы, растворенные в воде, но и кое-что другое. Например, пузырьки воздуха, дефекты тары, в которой находится вода, в виде трещин и сколов.

Интересный факт! Горячая вода замерзает гораздо быстрее по сравнению с холодной. Это связано с большим числом ядер кристаллизации у подогретой воды.

Соленая вода

Степень солености воды напрямую влияет на температуру ее замерзания. Чем больше соли, тем дальше от 0 °C должна опуститься отметка на термометре, чтобы вода превратилась в лед.

Например, океанская вода начинает превращаться в лед где-то на отметке -1,9 °C . Отсюда возникает сопутствующий вопрос «А как же рыба?». У тех представителей рыбного мира, что водятся в полярных морях, кровь замерзает при -0,5 °C. Оказывается, их организм производит белки, вбрасываемые в кровь, которые тормозят процесс кристаллизации.

Справка! Практически полное отсутствие примесей наблюдается в дистиллированной воде. В связи с чем она начинает замерзать только с отметки -42 °C.

Источник