Какое давление создает вода при замерзании

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

Какое давление может создать вода при замерзании и почему?

Плотность льда 0,9167 кг/дм^3 (кг/л). При замерзании воды объём образующегося льда на 9 % больше, чем исходный объём воды. При этом создаются огромные давления. Если заполнить водой (без остатков воздуха) металлическую бочку, закрыть герметично крышку и выставить на мороз, то лёд разорвёт бочку по шву или выдавит дно. Когда-то в юности я, обучаясь в техникуме, проходил практику на химическом предприятии. Там, в частности был трубопровод с горячим маслом. Чтобы масло не остывало, масляная труба была заключена в другую трубу большего диаметра. По образующемуся кольцевому пространству подавался водяной пар. Однажды зимой предприятие остановили на ремонт (аварийно). При этом никто не подумал о том масляном трубопроводе «труба в трубе». Во время ремонта пар, естественно, не подавался. Арматура на входе пара и выходе конденсата была закрыта. на горизонтальном участке этого трубопровода был прогиб (естественно, вниз). Так вот вода, образовавшаяся при конденсации пара, собралась в этой низине, и замёрзла. При этом создалось такое давление, что внутреннюю трубу (диаметром около 50 мм и толщиной около 3 мм) просто сплющило так, что по ней не могло проходить масло.

А в природе, попавшая в трещины камней или скал вода при замерзании раскалывает их.

Это давление известно, и его в принципе можно рассчитать. А возникает давление вот почему. При замерзании воды из одного ее литра получается 1,09 куб. дм льда. Если вода замерзает в замкнутом объеме, льду «некуда деваться», поэтому он начинает сжимать воду. Вода сжимается очень неохотно, хотя коэффициент сжимаемости давно измерен и равен 5х10-5 атм-1. То есть при увеличении давления на 1 атм вода сжимается всего на несколько стотысячных от исходного объема. В результате образование даже тонкого слоя льда (сосуд замкнут, лет растет с его внутренней поверхности) приведет к очень большому повышению давления. Кстати, лед тоже немного сжимается, но в несколько раз хуже, чем вода. Расчет показывает, что если из 10 л воды замерзло 0,1 л, то на стенке сосуда образуется слой льда толщиной 0,5 мм. При этом давление в сосуде уже будет 20 атм. При понижении внешней температуры и увеличении толщины ледяной корки давление быстро увеличивается. Если бы лед был несжимаем, можно было бы получить любое давление, теоретически хоть миллион атмосфер. Однако реально при давлении около 2050 атм структура обычного льда перестраивается и давление больше не растет. Получается тяжелый лед-III, более плотный, чем вода.

Вода, как и любая жидкость в поле тяготения, оказывает давление на стенки и на дно сосуда, в котором находится. Это значит, что она оказывает на них силовое воздействие путем ударов своих молекул. Если в нижней части бочки с водой сделать дырочку, из нее начнет быть струя воды. И чем бочка выше, тем струя будет сильнее. Можно в связи с этим вспомнить знаменитый опыт Паскаля: в бочку с водой и с герметичной крышкой он вставил в дырочку, просверленную в крышке, длинную стеклянную трубочку. И начал наполнять (с балкона дома) трубочку водой. Когда уровень воды поднялся на определенную высоту, бочку давлением воды разорвало! Это поразило наблюдателей, а Паскаль стал одним из основателей гидростатики.

Давление должно быть таким, чтобы вода могла подниматься до самого верхнего этажа. Если дом не особо элитный, то можно считать, что один этаж это 3 м, значит на каждый этаж нужно 0,3 атмосферы (30 кПа). Если Ваш дом к примеру 30 этажный, то на первом этаже должно быть не менее 9 атмосфер (а учитывая, что и на самом верхнем этаже должно быть какое-то давление, хотя бы 0,5 атмосфер, получим что на входе в дом должно быть около 9,5-10 атмосфер. Естественно, для пятиэтажного дома достаточно 0,5-. 2,0 атмосферы.

Возможность перегибания шланга никак не связана с напором жидкости в нём, а определяется лишь жесткостью материала. Причиной появление трещин на старом шланге как раз является «старение» материала, и образование трещин никак не зависит от давления.

Несколько подробнее о «старении». Шланг, неважно, из чего он сделан, резиновый, полихлорвиниловый, полиэтиленовый, полипропиленовый или еще из чего представляет собой полимерный материал, изначально имеющий аморфную структуру. Полимеры, первоначально имеющие аморфную структуру, со временем кристаллизуются. Это процесс практически необратимый, и бороться с ним невозможно.

Для лучшей пластичности в состав некоторых полимеров вводят пластификаторы. Но пластификатор, чаще всего не полимер, а обычное жидкое вещество. Со временем он «выпотевает», т.е. путём естественной диффузии выходит из состава пластифицированного полимера. Это ускоряет кристаллизацию полимера, и образование трещин.

Нет, Это не нормально. Обратитесь к хирургу или к проктологу. Хотя для начала достаточно и консультации терапевта. Как правило, такие симптомы говорят о нарушении работы прямой кишки, либо о наличии опухоли. В любом случае не стоит затягивать с обращением к специалисту. Есть ещё, правда, один вариант, но при нём, как правило, выделения бывают маслянистыми. Это происходит, когда вы едите некоторые виды рыбы, чей жир не усваивается организмом человека. Тогда возможны в течении нескольких дней выделение маслянистой жидкости. Но, если выделения не маслянистые и рыбу вы не употребляли, тогда срочно к врачу.

Умный в гору не пойдет, там чай правильно заварить нельзя (псевдодревняя псевдокитайская пословица)

Но если вы всё же сильно хотите в горы пойтить, то вам нужна ещё одна табличка.

А вот теперь, если не передумали, то чайник в зубы, рюкзак с чаем за спину и вперед — к вершинам!

Источник

Какое давление создает вода при замерзании

Получится ли описанный в тексте опыт по режеляции льда, если его проводить при температуре –20 °С? Ответ поясните.

Между давлением и точкой замерзания (плавления) воды наблюдается интересная зависимость (см. таблицу).

Давление, атм	Температура при кристаллизации, см 3 /моль
1	0,0	–1,62
610	–5,0	–1,83
1970	–20,0	–2,37
2115	–22,0	0,84
5280	–10,0	1,73
5810	–5,0	1,69
7640	10,0	1,52
20000	73,8	0,68

С повышением давления до 2200 атмосфер температура плавления падает: с увеличением давления на каждую атмосферу она понижается примерно на 0,0075 °С. При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды начинает расти: при давлении 20 670 атмосфер вода замерзает при 76 °С. В этом случае будет наблюдаться горячий лёд.

При нормальном атмосферном давлении объем воды при замерзании внезапно возрастает примерно на 11%. В замкнутом пространстве такой процесс приводит к возникновению избыточного давления до 2500 атм. Вода, замерзая, разрывает горные породы, дробит многотонные глыбы.

В 1850 г английский физик М. Фарадей обнаружил, что два влажных куска льда при 0 °С, будучи прижаты друг к другу, прочно соединяются или смерзаются. Однако, по Фарадею, этот эффект не наблюдался с сухими кусками льда при температуре ниже 0 °С. Позже он назвал это явление режеляцией.

В 1871 г англичанин Дж.-Т. Боттомли продемонстрировал подобное явление на другом опыте. Поставив на два столбика ледяной брусок и перекинув через него тонкую стальную проволоку (диаметром 0,2 мм), к которой был подвешен груз массой около 1 кг (рис. а), Боттомли наблюдал при температуре чуть выше нуля, как в течение нескольких часов проволока прорезала лёд и груз упал. При этом ледяной брусок остался целым и невредимым, и лишь там, где проходила проволока, образовался тонкий слой непрозрачного льда. Если бы мы в течение этих часов непрерывно наблюдали за проволокой, то увидели бы, как постепенно она опускается, как бы разрезая лёд (рис. б, в, г), при этом выше проволоки никакого разреза не остаётся — брусок оказывается монолитным.

Долгое время думали, что лёд под лезвиями коньков тает потому, что испытывает сильное давление, температура плавления льда понижается, и лёд плавится. Однако расчёты показывают, что человек массой 60 кг, стоя на коньках, оказывает на лёд давление, при котором температура плавления льда под коньками уменьшается примерно на 0,1 °С, что явно недостаточно для катания, например, при –10 °С.

Вода, замерзая, может разрывать горные породы, потому что

1) температура замерзания воды зависит от давления, а в горных породах оно достигает 2500 атм.

2) с повышением внешнего давления до 2200 атмосфер температура замерзания падает.

3) объём вещества увеличивается и создаёт огромное внешнее давление.

4) при замерзании под давлением наблюдается явление режеляции льда.

Причиной разрыва горных пород при замерзании воды является увеличение объёма.

Источник