Когда вода не замерзает при нуле градусов

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

Физики вычислили температуру замерзания переохлажденной воды

МОСКВА, 14 июл — РИА Новости. Вода, охлажденная ниже нуля градусов Цельсия, может оставаться жидкой при некоторых условиях до тех пор, пока ее температура не понизится до 41 градуса мороза, сообщается в статье, размещенной в электронной библиотеке Корнеллского университета.

Для того, чтобы вода превратилась в лед, помимо низкой температуры, требуются точки кристаллизации — микроскопические пылинки, вокруг которых начинают формироваться кристаллы льда — либо сотрясение. Очень чистая вода при отсутствии толчков может оставаться в жидком состоянии при температуре значительно ниже ноля градусов Цельсия.

Ученые обнаружили такую воду в земных облаках, в формировании которых процесс сверхохлаждения жидкости играет ключевую роль.

Однако нижняя температурная граница существования сверхохлажденной воды пока не определена, поскольку необходимые условия находятся за пределами возможностей экспериментов.

Эмили Мур (Emily Moore) и Валерия Молинеро (Valeria Molinero) из университета штата Юта (США) при помощи компьютерного моделирования попытались определить границы «окна» сверхохлажденности поведения молекул охлаждаемой воды. В рамках своей модели ученые наблюдали за тем, как изменяется поведение нескольких тысяч молекул воды при различных темпах охлаждения.

Авторы исследования пришли к выводу, что нижняя граница существования сверхохлажденной воды находится на отметке минус 41 градус Цельсия. При дальнейшем понижении температуры вода спонтанно превращается в аморфный лед. В этом состоянии молекулы воды расположены случайным образом, что напоминает структуру обычного стекла.

Как отмечают Мур и Молинеро, сверхохлажденная вода по своей сути нестабильна при любых температурах, и превращается в лед в результате изменения структуры жидкости, что приводит к образованию микрокристаллов льда. При этом чем выше температура воды, тем менее стабильна жидкость и тем быстрее образуются кристаллы льда.

Ледяной шарик из ста молекул воды вызвал спонтанное замерзание всей виртуальной «емкости» при температуре в 38 градусов Цельсия ниже нуля.

«Главный вывод нашей работы заключается в том, что сверхохлажденная вода не сохраняет свою стабильность при температурах ниже минус 41 градуса Цельсия, что не соответствует существующим теориям об ее устройстве. Это поможет уточнить климатические модели, описывающие формирование облаков», — заключают ученые.

Источник

Почему вода превращается в лед не при 0 градусов

Стандартное утверждение о том, что вода замерзает при достижении температуры в 0 градусов Цельсия, на самом деле некий стереотип. Температурных порогов, при которых замерзает вода, существует не так уж мало, и зависят они от разных свойств воды и окружающей обстановки. К примеру, чистая вода может даже замерзнуть при -42°С, в зависимости от условий, в которых она охлаждается.

Почему так происходит

Для формирования кристаллов льда могут использоваться различные частицы и дефекты тары

Чтобы кристаллы льда сформировались, необходима основа, а ею могут стать различные вещества и мелкие тела, например, пылевые частицы. А ожидать, что чистая вода замерзнет, согласно распространенному мнению, при нулевой температуре, не стоит. Ядрами кристаллизации, как известно из курса физики, могут выступать растворенные в воде минеральные и органические частицы, но и не только они.

Кристаллизация может «выбрать» в качестве основы различные дефекты тары, в которой вода в этот момент находится, такие как сколы и трещины, а также воздушные пузырьки. Кстати, так как у горячей воды число ядер кристаллизации больше, то и замерзает она быстрее, чем холодная. Этот интересный факт известен любому старшекласснику. Если сосуд чист, и сама вода тоже, то она может какое-то время при отрицательной температуре находиться в обычном жидком состоянии. Но оно считается неустойчивым, потому что стоит появиться какой-либо посторонней частице, например, пылинке, как вокруг нее немедленно начнет образовываться ледяной кристалл, и вся остальная вода вокруг тоже становится льдом.

Что нужно для замерзания соленой воды

Температура, при которой соленая вода превратится в лед, непосредственно зависит от того, насколько она соленая. То есть большая концентрация соли говорит о том, что температура должна опуститься ниже нуля, чтобы такая жидкость могла стать льдом. Так, вода в океане, начинает становиться льдом, когда температура ее доходит до «минус» 1,9°С.

При этом многих интересует судьба обитателей таких замерзающих вод. Кровь рыб, которые живут в полярных морях, замерзает при «минус» 0,5°С. Просто эти морские обитатели умеют тормозить процесс кристаллизации, благодаря тому, что их организм вырабатывает белки, которые вбрасываются в кровь.

Как влияет на замерзание заряд поверхности, соприкасающейся с водой

Дистиллированная вода замерзает при -42°С

Неспроста считается, что в дистиллированной воде полностью отсутствуют примеси. Этим объясняется тот факт, что замерзать она начинает только при достижении той самой температуры в «минус» 42°С. Путем многочисленных исследований ученые доказали, что замерзание воды при различных температурах также зависит от положительного или отрицательного заряда поверхности, с которой непосредственно соприкасается вода.

Если заряд отрицательный, то температура замерзания ниже, а при положительном – соответственно, наоборот. Если заряд меняется с отрицательного на положительный, то замерзание происходит при более высокой температуре.

Источник

Вода может не замерзать при температуре ниже нуля градусов Цельсия

С детства каждый помнит, что вода замерзает при температуре 0 градусов по Цельсию. Возможно, кто-то слышал и о том, что чистая пресная вода в очень чистом сосуде может находиться в жидком состоянии и при отрицательных температурах. Ученые в своих опытах доходили до температуры минус 40 градусов по Цельсию. Вода в жидком виде при отрицательной температуре носит название «переохлажденной», и при этом она находится в очень неустойчивом состоянии:

стоит появиться хоть одной посторонней частице, вокруг которой может образоваться кристалл льда, как тут же вся вода замерзает.

Группа ученых из института имени Вейцмана (Израиль) под руководством Игоря Любомирского выяснила, что переохлажденная вода замерзает при различных температурах в зависимости от того, положительно или отрицательно заряжена поверхность, с которой соприкасается вода. Соответствующая работа опубликована в журнале Science.

Основным предметом исследования израильских ученых стали пироэлектрические (обладающие поляризацией в отсутствие внешних воздействий) аморфные (не имеющие упорядоченной кристаллической структуры) твердые тела. Однажды Игорь Любомирский обнаружил, что если вода контактирует с поверхностью из подобного материала, то температура замерзания воды зависит от заряда поверхности.

Отрицательный заряд понижал температуру замерзания, а положительный повышал ее.

Обратив внимание на этот факт, ученые решили подробнее исследовать его. Используя мощные микроскопы, Игорь Любомирский и коллеги обнаружили, что капельки воды на кристаллах танталата лития (LiTaO₃) и тонких пленках из титаната стронция (SrTiO₃) замерзают при температуре -11 градусов. С изменением заряда с отрицательного на положительный температура замерзания повышалась на несколько градусов.

Используя метод рентгеноструктурного анализа, исследователи отметили, что положительно заряженные поверхности вызывают начало замерзания переохлажденной воды на границе «поверхность – вода», тогда как отрицательно заряженные поверхности влекут начало замерзания на поверхности «вода – воздух».

Комментируя свою работу, Игорь Любомирский признается, что не знает, почему изменение заряда так меняет свойства воды. «То, что мы теперь знаем, дает нам очень, очень, очень хорошую тему для размышлений», — приводит слова ученого National Public Radio.

Возможность контролировать температуру замерзания переохлажденной воды может быть весьма актуальной.

В частности, результаты работы израильских ученых могут найти свое применение в актуальных областях исследований:
— выживание холоднокровных животных;
— криоконсервация (методы хранения органов, тканей или отдельных клеток при пониженной температуре);
— защита сельскохозяйственных культур от замерзания;
— «посев» облаков (то есть целенаправленное изменение погоды для создания дождя в засушливых местах или вызывание дождя с целью уменьшения вероятности града).

Источник