Почему при нагревании вода расширяется

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

# физика | Почему вода легче… воды?

Одно из самых распространенных веществ на Земле: вода. Она, как и воздух, необходима нам, но мы ее порой совсем не замечаем. Она просто есть. Но, оказывается, обыкновенная вода может менять свой объем и весить то больше, то меньше. При испарении воды, ее нагревании и охлаждении происходят поистине удивительные вещи, о которых мы и узнаем сегодня.

Сегодня речь пойдет об объеме и весе воды. Оказывается, один и тот же объем воды не всегда весит одинаково. И если налить воду в стакан и она не прольется через край — это еще не значит, что она поместится в нем при любых обстоятельствах.

1. При нагревании вода увеличивается в объеме

Поставьте наполненную водой банку в кастрюлю, наполненную сантиметров на пять кипящей водой, и на слабом огне поддерживайте кипение. Вода из банки начнет переливаться через край. Это происходит потому, что при нагревании вода, подобно другим жидкостям, начинает занимать больше пространства. Молекулы отталкиваются друг от друга с большей интенсивностью и это ведет к увеличению объема воды.

2. При охлаждении вода сжимается

Дайте воде в банке остыть при комнатной температуре, или налейте новую воду, и поставьте ее в холодильник. Через некоторое время вы обнаружите, что полная прежде банка уже не полна. При охлаждении до температуры 3,89 градусов по Цельсию вода уменьшает свой объем по мере снижения температуры. Причиной тому стало снижение скорости движения молекул и их сближение друг с другом под воздействием охлаждения.

Казалось бы, все очень просто: чем холоднее вода, тем меньший объем она занимает, но…

3. …объем воды вновь возрастает при замерзании

Наполните банку водой до краев и накройте куском картона. Поставьте ее в морозилку и дождитесь замерзания. Вы обнаружите, что картонную «крышку» вытолкнуло. На температурном интервале между 3,89 и 0 градусов по Цельсию, то есть на подходе к точке своего замерзания, вода вновь начинает расширяться. Она является одним из немногих известных веществ, обладающих подобным свойством.

Если использовать плотную крышку, то лед просто разнесет банку. Приходилось ли вам слышать о том, что даже водопроводные трубы может разорвать льдом?

4. Лед легче воды

Поместите пару кубиков льда в стакан с водой. Лед будет плавать на поверхности. Вода при замерзании увеличивается в объеме. И, вследствие этого, лед легче воды: его объем составляет около 91% соответствующего объема воды.

Это свойство воды существует в природе не зря. У него есть вполне определенное предназначение. Говорят, что зимой реки замерзают. Но на самом деле это не совсем верно. Обычно замерзает лишь небольшой верхний слой. Это ледяной покров не тонет, поскольку он легче жидкой воды. Он замедляет замерзание воды на глубине реки и служит своеобразным одеялом, оберегая рыб и другую речную да озерную живность от лютых зимних морозов. Изучая физику, начинаешь понимать, что очень многое в природе устроено целесообразно.

5. Водопроводная вода содержит минералы

Влейте в небольшую стеклянную миску 5 столовых ложек обычной водопроводной воды. Когда вода испарится, на миске останется белая кайма. Эта кайма сформирована минералами, которые были растворены в воде, когда она проходила слои грунта.

Посмотрите внутрь своего чайника и вы увидите там минеральный налет. Такой же налет образуется и на отверстии для стока воды в ванне.

Попробуйте испарить дождевую воду, чтобы самостоятельно проверить, содержит ли она минералы.

Если совместить воду с другими жидкостями, то можно обнаружить, что с некоторыми вода не смешивается. Благодаря таким свойствам веществ можно сделать красивейшую сахарную радугу.

Источник

Почему при нагревании вода расширяется

Вода реагирует, как и любое другое соединение, на изменение температуры, но аномалия возникает в узком диапазоне вокруг точки плавления, и это изменение имеет большое значение. Когда вы нагреваете лед, молекулы приобретают кинетическую энергию, и лед расширяется, пока не растает. Но как только весь лед превратился в воду, и температура снова начинает расти, расширение прекращается. Между 32 и 40 градусами по Фаренгейту (от 0 до 4 градусов по Цельсию), расплавленная вода фактически сжимается при повышении температуры. После 40 F (4 C) он снова начинает расширяться. Это явление делает лед менее плотным, чем вода вокруг него, поэтому лед плавает.

Расширение льда, воды и пара

Как твердое тело, лед может расширяться только линейно, что означает, что длина и ширина кубика льда может изменяться. Коэффициент линейного расширения для льда, который измеряет дробное изменение длины и ширины на градус Кельвина, является постоянной величиной 50 x 10-6 ÷ K. Это означает, что лед расширяется в одинаковом количестве с каждой степенью тепла, которую вы к нему добавляете.

Когда лед становится жидкой водой, он больше не имеет фиксированных линейных размеров, но имеет объем. Ученые используют другой тепловой коэффициент — коэффициент объемного расширения — чтобы измерить реакцию жидкой воды на температуру. Этот коэффициент, который измеряет дробные изменения объема на градус Кельвина, не является фиксированным. Он увеличивается с повышением температуры до тех пор, пока вода не закипит. Другими словами, жидкая вода расширяется с возрастающей скоростью при повышении температуры.

Когда вода превращается в пар, она расширяется по закону идеального газа: PV = nRT. Если давление (P) и количество молей пара (n) остаются постоянными, объем пара (V) линейно увеличивается с температурой (T). В этом уравнении R — постоянная, называемая постоянной идеального газа.

Критическая аномалия

В точке плавления вода демонстрирует характеристику, не имеющую других аналогов. Вместо того, чтобы продолжать расширяться в жидком состоянии, он сжимается, и его плотность увеличивается, пока не достигнет максимума при 40 F (4 C). От точки плавления до этой критической точки коэффициент расширения отрицателен, а в точке максимальной плотности коэффициент расширения равен 0. Если температура продолжает расти, коэффициент расширения снова становится положительным.

Если вы измените температурный градиент и охладите воду до точки замерзания, она начнет расширяться при 40 F (4 C) и продолжит расширяться до замерзания. Это причина, по которой водопроводные трубы лопаются в морозную погоду, и почему вы никогда не должны ставить стеклянную бутылку с водой в морозильник.

Источник

Что происходит с водой при нагревании

Содержание статьи

• Что происходит с водой при нагревании
• Почему испаряется вода
• Почему вода закипает

Удивительные свойства воды

Воде присущи поразительные свойства, которые сильно отличают ее от прочих жидкостей. Но это и хорошо, иначе, обладай вода «обычными» свойствами, планета Земля была бы абсолютно другой.

Для подавляющего большинства веществ характерно при нагревании расширяться. Что довольно легко объяснить с позиции механической теории теплоты. Согласно ей, при нагревании атомы и молекулы вещества начинают двигаться быстрее. В твердых телах колебания атомов достигают большей амплитуды, и им необходимо больше свободного пространства. Как результат – происходит расширение тела.

Тот же самый процесс происходит и с жидкостями, и с газами. То есть, за счет повышения температуры увеличивается скорость теплового движения свободных молекул, и тело расширяется. При охлаждении же, соответственно, происходит сжатие тела. Это свойственно практически для всех веществ. За исключением воды.

При охлаждении в интервале от 0 до 4оС вода расширяется. И сжимается – при нагревании. Когда отметка температуры воды достигает 4оС, в этот момент вода имеет максимальную плотность, которая равна 1000 кг/м3. Если температура ниже или выше этой отметки, то плотность всегда немного меньше.

Благодаря этому свойству при понижении температуры воздуха осенью и зимой в глубоких водоемах происходит интересный процесс. Когда вода охлаждается, она опускается ниже, на дно, однако лишь до того момента, пока ее температура не станет +4оС. Именно по этой причине в больших водоемах более холодная вода находится ближе к поверхности, а более теплая – опускается на дно. Так что когда зимой поверхность воды замерзает, более глубокие слои продолжают сохранять температуру 4оС. Благодаря этому моменту рыба может спокойно зимовать в глубинах покрывшихся льдом водоемов.

Влияние расширения воды на климат

Исключительные свойства воды при нагревании серьезным образом влияют на климат Земли, поскольку около 79% поверхности нашей планеты покрыто водой. За счет солнечных лучей происходит нагревание верхних слоев, которые затем опускаются ниже, а на их месте оказываются холодные слои. Те тоже, в свою очередь, постепенно нагреваются и опускаются ближе ко дну.

Таким образом, слои воды непрерывно меняются, что приводит к равномерному прогреванию, пока не достигается температура, соответствующая максимальной плотности. Затем, нагреваясь, верхние слои становятся менее плотными и уже не опускаются вниз, а остаются наверху и просто постепенно становятся теплее. За счет этого процесса огромные толщи воды довольно легко прогреваются солнечными лучами.

Источник

Почему при росте температуры от 0°C до 4°C вода сжимается

Практически все вещества при нагревании расширяются. Но не вода: в интервале от нуля до четырех градусов она сжимается. Выяснить, почему так происходит, ученые пытались еще в XIX веке, но удалось это сделать только в начале XXI века

Если вещество сжимается, а не расширяется при нагревании, это значит, что оно обладает отрицательным коэффициентом теплового расширения. Таким свойством в определенном температурном интервале обладают, например, висмут, галлий, кремний и сурьма. Но это твердые материалы, и объяснить сжатие можно изменением внутренней структуры, в ходе которой кристаллическая решетка при увеличении энергии атомов упаковывается более плотно.

Но как объяснить появление такого сжатия у воды? Первая теория, которая хоть как-то объясняла это явление, основывалась на том, что при такой температуре вода состоит из «нормальной» и «льдоподобной» фаз. Впервые такая модель была предложена в XIX веке, но позже ее усовершенствовали и нашли экспериментальные подтверждения.

Исследователи пришли к выводу, что при температуре, близкой к нулю, в воде существует два типа нанодоменов: области, похожие на аморфный лед высокой и низкой плотности. Когда эти структуры плавятся при температуре от 0°C до 4°C, они образуют воду разной плотности, из-за чего и происходит сжатие.

Но на самом деле все оказалось не так просто. В 2009 году ученые выяснили настоящую причину такого поведения воды. Объем воды определяется расстоянием между молекулами H₂O, которое регулируется длиной водородных связей. В жидком состоянии молекулы воды обычно объединяются в небольшие кластеры, обычно по пять штук.

Компьютерное моделирование показало, что с ростом температуры длина водородных связей действительно растет, увеличивая объем вещества. Но в диапазоне от 0°C до 4°C уменьшается размер кластеров — они состоят не из пяти, а из трех частиц. В результате размер отдельных элементов системы уменьшается, и они плотнее прилегают друг к другу.

Источник