Как замерзает газированная вода

4.24. Как замерзают газированные напитки

Почему, когда бутылку с газированной водой слишком долго держат в морозильнике, она лопается? Почему, если бутылку продержать в морозильнике не так долго, вода в ней может неожиданно замерзнуть, когда бутылку откроют? Почему если газированная вода холодная (но ее температура далека от точки замерзания), то, когда бутылку открывают, из горлышка, кроме мелких брызг, вырывается небольшое туманное облачко?

ОТВЕТ • Газированный напиток состоит главным образом из воды. Когда вода замерзает, она расширяется, а молекулы воды упорядочиваются, образуя жесткую структуру. Таким образом, когда напиток охлажден настолько, что вода начинает замерзать, в бутылке возникает направленное вовне избыточное давление, которое может ее разорвать. Температура замерзания напитка в бутылке ниже точки замерзания чистой воды. Это связано с тем, что жидкость находится под давлением и, кроме того, некоторые добавки затрудняют образование льда из молекул воды. Однако в большинстве морозильных камер достаточно холодно, чтобы бутылка лопнула.

Когда бутылку открывают, давление в ней резко падает до атмосферного, и большая часть углекислого газа выходит из раствора в виде поднимающихся вверх пузырьков. Предположим, что температура жидкости чуть выше температуры замерзания напитка в бутылке. Когда давление падает, температура замерзания повышается, и температура жидкости оказывается ниже этой новой точки замерзания, и, следовательно, жидкость должна превратиться в лед. Однако для этого необходимы центры кристаллизации, где могут начать формироваться кристаллики льда. Их роль могут играть пузырьки углекислого газа. Если бутылка прозрачная, можно видеть, что замерзание начинается вблизи горлышка бутылки, где много пузырьков, а потом, иногда очень быстро, распространяется вниз.

Когда открывают бутылку охлажденного газированного напитка, на расширение выходящего через горлышко бутылки газа требуется энергия. Расширение происходит так быстро, что единственный источник энергии — тепловая энергия газа. Таким образом, газ, теряя тепловую энергию, охлаждается, благодаря чему водяной пар в расширяющемся газе превращается в капельки воды. Эти движущиеся в воздухе капельки и являются тем небольшим туманным облачком, которое мы видим над горлышком бутылки.

Источник

При какой температуре замерзает газированная вода

? Когда я медленно вхожу в воду, она кажется мне холоднее, когда достигает уровня купальника или низа живота. Почему?

Ответ 1. На самом деле мы реагируем на разницу между нашей температурой и температурой тела, к которому прикасаемся. Возьмите три ведра, одно из них заполните очень холодной водой, второе – слегка тёплой, а третье – очень горячей, но не обжигающей. Одновременно опустите левую руку в ведро с очень холодной водой, а правую – в ведро с очень горячей и подержите их там около 30 с. После этого обе руки погрузите в ведро со слегка тёплой водой, и вы наверняка сразу почувствуете, что левая рука воспринимает эту воду как горячую, а правая – как холодную. Таким образом, поставленный вопрос надо перефразировать так: почему разница температур между животом и морской водой больше, чем между ногами и той же водой? Или почему температура живота выше температуры ног? По-видимому, можно утверждать, что температура живота более высокая из-за пищеварительных процессов в желудке и кишечнике, проходящих с выделением тепла в течение длительного времени после приёма пищи. Поэтому температура кожи в области живота несколько выше, и когда вода достигает уровня купальника, она кажется более холодной.

Ответ 2. Окружающая среда охлаждает кожу, в результате чего мы теряем часть тепла нашего тела. Поэтому температура кожи всегда ниже температуры внутренних органов – сердца, печени и желудка. Чтобы уменьшить потери тепла через кожу конечностей, природа использует там противоточную систему теплообмена: артерии, несущие кровь в конечность, расположены вблизи вен, по которым кровь идёт обратно в туловище. Поэтому тёплая артериальная кровь, идущая в конечность, охлаждается более прохладной венозной кровью, текущей рядом по венам в противоположном направлении. В результате кожа наших рук и ног всегда холоднее кожи туловища. Купальный костюм делает кожу живота ещё более тёплой, и когда вода достигает уровня нижней части живота, нам она кажется очень холодной, и мы испытываем чувство дискомфорта.

New Scientist, 18Nov2006, p. 83

? Какую максимальную скорость может развить велосипедист на Земле и Луне? Можно ли взлететь с Луны на велосипеде?

Ответ. На Земле при езде по горизонтальной дороге велосипедист преодолевает две силы. Одна из них – сила трения качения, пропорциональная силе тяжести (c1mg), а другая – сила сопротивления воздуха, пропорциональная произведению площади поперечного сечения велосипедиста и велосипеда S, плотности воздуха r и квадрату скорости v движения . Обычно при езде со скоростью 15 км/ч эти две силы становятся равными, и, чтобы увеличить скорость, необходимо уменьшить силу сопротивления воздуха. Сделать это можно, например, конструируя велосипеды очень обтекаемой формы, что позволяет уменьшить аэродинамический коэффициент сопротивления c2 до 0,1. На таком обтекаемом велосипеде и был установлен рекорд скорости 130 км/ч. Велосипедист может значительно уменьшить скорость сопротивления воздуха, если пристроится за впереди идущим автомобилем. Так был установлен рекорд 268 км/ч. Чтобы ещё увеличить скорость велосипеда, необходимо уменьшить силу трения качения. Сделать это можно, например, на Луне.

Пусть максимальная мощность, которую может развить велосипедист, составляет 750 Вт, а его масса с велосипедом 100 кг. Если считать, что на Луне с1 = 0,0045, что типично для велосипедных колёс на Земле, и g = 1,62 м/с2, то, приравнивая работу велосипедиста к работе силы трения качения, получаем с1mg = 750 Вт, откуда = 3700 км/ч. Таким образом, скорость велосипедиста на Луне может более чем в 3 раза превышать скорость звука на Земле, но звуковой барьер преодолевать не придётся, т.к. атмосферы там нет. Однако двигаться с большей скоростью по Луне довольно-таки опасно, т.к. 3700 км/ч – это половина второй космической скорости для Луны…

Europhysics News, 2006, 37, № 4, p. 17

? Когда мы открыли только что вынутую из холодильника литровую бутылку газировки, то примерно через 8 мин почти вся вода в ней превратилась в лёд: сначала вода замёрзла в верхней части, а потом медленно промёрзла до дна. Почему?

Ответ 1. Температура замерзания воды понижается, если в ней есть примеси: молекулы растворённого вещества, взаимодействуя с молекулами воды, мешают им образовывать лёд. Поэтому зимой и посыпают дороги солью. То же самое происходит, когда в воде под давлением растворяют углекислый газ. При этом газированная вода в закрытой бутылке остаётся жидкой и при температуре гораздо ниже 0 °С. Но если такую бутылку открыть, то углекислый газ начнёт выходить, и вода замёрзнет.

Ответ 2. Можно указать три причины. Первая – это избыточное давление. Так как плотность льда меньше плотности воды, то избыточное давление в бутылке понижает температуру замерзания воды, она может оказаться переохлаждённой, и тогда при открывании бутылки замёрзнет. (Этот эффект ничтожен: понижение на 1 °С температуры замерзания воды требует избыточного давления около 130 атм. – Ред.) Вторая причина – адиабатическое расширение углекислого газа при открывании бутылки, в результате чего он совершает работу и охлаждается. Третья причина – присутствие ядер кристаллизации. Негазированную чистую воду можно охладить ниже её точки замерзания, если в ней отсутствуют ядра кристаллизации, вокруг которых и начинается образование кристаллов льда. Когда бутылку с газированной водой открывают, появляющиеся пузырьки газа служат такими ядрами, провоцирующими замерзание переохлаждённой воды. Эта причина кажется наиболее важной. Распространение кристаллизации сверху вниз объясняется тем, что сначала пузырьки газа – ядра кристаллизации – образуются около горлышка бутылки, откуда процесс замерзания воды быстро начинает двигаться вниз, ко дну бутылки.

New Scientist, 03Jun2000, р. 101

Подборка и пер. с англ.

сахарный краситель (Е150), ортофосфорная кислота (E338), кармазин (E122), фенилаланин, натуральные ароматизаторы, кофеин. Состав Кока-колы. Coca-Cola Light без кофеина: Ингредиенты : Agua carbonatada, E150d , E952 , E950 , E951 , E338 , Е330 , Аromas , Е211 1. Agua carbonatada – газированная вода. 2. E952 – Цикламовая кислота и её натриевые, калиевые и кальциевые соли. Заменитель сахара. Цикламат – синтетический химикат, имеет сладкий вкус в 200 раз превышающий сладость сахара, используется, как искусственный подсластитель. Относится к веществам, запрещённым к использованию в продуктах питания человека, поскольку является канцерогеном, вызывающим раковую болезнь. В 1969 году распоряжением Федерального Агентства по пищевым продуктам и лекарственным препаратам (FDA) 34 FR 17063 запрещён к применению на территории США, так как, было доказано, что он, как сахарин и аспартам, вызывает у крыс рак мочевого пузыря. В том же году запрещён в Канаде. В 1975 году запрещён в Японии, Южной Корее и Сингапуре. Запрещён к использованию в производстве напитков и в Индонезии. В 1979 г. всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) реабилитировала цикламаты, признав их безвредными!? 3.2. E150d – краситель – сахарный колер 4, полученный по технологии (CARAMEL 4 – Ammonia-sulphite). Т.е., сахарный колер (жжёный сахар) получают, путём переработки сахара, при определённых температурах, с добавлением химических реагентов или без них. В данном случае, добавляют сульфат аммония. 4. E950 (ацесульфам калия ) – в 200 раз слаще сахарозы. В безалкогольных напитках широко применяется смесь ацесульфама калия с аспартамом. Плюсы. Долго хранится, не вызывает аллергических реакций и не калориен. Минусы. Содержит метиловый эфир, который ухудшает работу сердечно-сосудистой системы, и аспарогеновую кислоту – она оказывает возбуждающее действие на нервную систему и может, со временем, вызвать привыкание. Ацесульфам плохо растворяется. Продукты с этим подсластителем не рекомендуется употреблять детям, беременным и кормящим женщинам. Безопасная доза – не более 1 г в сутки. 5. E951 (аспартам) – сахарозаменитель для больных диабетом, состоящий из двух аминокислот (дипептид) – аспарагина и фениланина. Рекомендуется также лицам, контролирующим свой вес. Национальная ассоциация безалкогольных напитков (NSDA), представляющая 95% компаний по производству безалкогольных напитков в США, составила протест, опубликованный в Отчете Конгресса США 7 мая 1985 года, описывающий химическую нестабильность аспартама. После нескольких недель в жарком климате (или, будучи нагретым до 30 градусов по Цельсию (86 градусов по Фаренгейту), основное количество аспартама в газированной воде распадается на формальдегид, метанол, фенилаланин и пр. Проглоченный, метанол (метиловый или древесный спирт, убивший или ослепивший тысячи любителей выпить) преобразуется в формальдегид, затем – в муравьиную кислоту (яд от муравьиного укуса). Формальдегид – это вещество с резким запахом, канцероген класса А. Фенилаланин же, становится токсичным, в сочетании с другими аминокислотами и белками. При беременности, аспартам может воздействовать непосредственно на плод, даже, при употреблении в очень малых дозах. FDA получило более 10.000 жалоб на аспартам от потребителей, что составляет 80% всех жалоб на пищевые добавки. FDA молчит, общественность, в основном, ничего не подозревает, полагая, что, раз продукт так широко разрекламирован, он должен быть безопасен. В распоряжении FDA есть 92 документально подтверждённых случая отравления аспартамом, включая следующие: потеря осязания, головные боли, усталость, головокружение, тошнота, сильное сердцебиение, увеличение веса, раздражительность, тревожное состояние, потеря памяти, туманное зрение, сыпь, припадки, потеря зрения, боли в суставах, депрессии, спазмы, заболевания детородных органов, слабость и потеря слуха. Также, аспартам может провоцировать следующие болезни: опухоль мозга, множественный склероз, эпилепсию, базедову болезнь, хроническую усталость, болезни Паркинсона и Альцгеймера, диабет, умственную отсталость, туберкулёз, он может вызвать даже смертельный исход. 6. E338 (Орто-фосфорная кислота) – химическая формула: H3PO4. Внешний вид – бесцветная или со слабым жёлтым оттенком жидкость. в слое 12-15 мм. при рассмотрении на белом фоне, со слабым запахом. Неограниченно растворима в воде, образует растворы любых концентраций. Пожаро- и взрывоопасна. Вызывает раздражение глаз и кожных покровов. Применение: для производства фосфорнокислых солей аммония, натрия, кальция, марганца и алюминия, а также, для органического синтеза, в производстве активированного угля и киноплёнки, для производства огнеупоров, огнеупорных связующих, керамики, стекла, удобрений, синтетических моющих средств (СМС), в медицине, металлообрабатывающей для очистки и полировки металлов, текстильной для выработки тканей с огнезащитной пропиткой, нефтяной, спичечной промышленности. Пищевую ортофосфорную кислоту применяют в производстве газированной воды и для получения солей (порошки для изготовления печенья, сухарей). 7. Е330 (Лимонная кислота) – бесцветные кристаллы. Широко распространена в природе. Получают лимонную кислоту из махорки и брожением углеводов (сахар, патока). Применяют в фармацевтической и пищевой отраслях промышленности. Соли лимонной кислоты (цитраты) используют в пищевой отрасли промышленности, в качестве кислот, консервантов, стабилизаторов, в медицине – для консервирования крови. 8. Аromas – ароматические добавки, какие именно – не указаны. 9. Е211 (Бензоат натрия ) – отхаркивающее средство, консервант пищевых продуктов в производстве повидла, мармелада, меланжа (кондитерское производство), кильки, кетовой икры, плодово-ягодных соков, полуфабрикатов. Бензойную кислоту (Е210), бензоат натрия (Е211) и бензоат калия (Е212) вводят в некоторые пищевые продукты, в качестве бактерицидного и противогрибкового средств. К таким продуктам относятся джемы, фруктовые соки, маринады и фруктовые йогурты.

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.

Источник