Почему вода не замерзает подо льдом теплопроводность

Теплопроводность воды и льда и их особенности

Вода и лед: теплопроводность: Freepick

Теплопроводность воды в жидком и твердом состоянии обеспечивает жизнь в водоемах в зимний период. Что означает показатель и как его изменения помогают водной флоре и фауне? В поисках ответов на эти вопросы ученые обнаружили много интересных фактов.

Теплопроводность воды и льда

Особенные физические свойства имеет вода. Теплопроводность ее, например, в жидком и твердом состоянии отличается, что очень важно для природы. Прежде чем узнать точные значения этого показателя и рассмотреть примеры, познакомимся поближе с самим явлением.

Что такое теплопроводность

В прежние времена люди считали, что тепловая энергия передается благодаря перетеканию некоего «теплорода» из одного места в другое.

Но молекулярно-кинетическая теория подробно изучила это явление и сумела объяснить его с учетом взаимодействия частиц вещества. Молекулы из более нагретых частей двигаются быстрее и способны делиться энергией с холодными частями, сталкиваясь с их медленными частицами.

Экология человека: что это такое и что изучает наука

Как мы понимаем теплопроводность сегодня? Так ученые называют способность материального тела проводить энергию (тепло) от более нагретой части к менее нагретой благодаря хаотическому движению частиц — атомов, молекул, электронов и т. п.

Обмен теплом происходит в любом теле с неоднородно распределенной температурой. Однако его механизм отличается в зависимости от того, твердое, жидкое или газообразное вещество перед нами.

Также под теплопроводностью понимают количественную характеристику способности тела к проведению тепла. Если сравнить тепловую цепь с электрической, то этот показатель будет аналогом проводимости.

Количественно данное свойство характеризуют коэффициентом теплопроводности, который также известен как удельная теплопроводность:

• Эта характеристика показывает количество тепла, которое в течение единицы времени при температурной разнице 1 К проходит сквозь однородный образец материала с определенной длиной и площадью.
• Международная система единиц (СИ) приводит для него такие единицы измерения — Вт/(м×град) или Вт/(м×К).

Парниковый эффект: суть явления, причины и последствия

Особенные свойства воды: Freepick

Каковы теплофизические свойства воды и льда

Коэффициент теплопроводности воды меняется в зависимости от температуры:

1. При 0 °С он равняется 0,569 Вт/(м×град).
2. При ее повышении он постепенно растет и, например, при температуре 20 °С составляет 0,603 Вт/(м×град).

С учетом столь маленьких значений коэффициента для воды перенос тепла в водных объектах становится не совсем обычным процессом. В природе на первый план в переносе тепла в водоемах выходят турбулентные процессы.

Теплопроводность льда имеет следующие особенности:

1. Коэффициент теплопроводности в чистом, лишенном пузырьков воздуха льде при 0 °С составляет 2,22 Вт/(м×град).
2. По мере уменьшения температуры показатель снижается.

Таким образом, показатель теплопроводности льда при 0 °С практически в четыре раза превышает данный показатель для воды при такой же температуре. Это говорит о том, что тепло проводится льдом гораздо быстрее, чем водой. Поэтому в живом организме замерзание происходит быстрее, чем оттаивание.

Почему Земля круглая и откуда возникли теории о плоской Земле

Почему вода не замерзает под толстым слоем льда

Показатели и особенности теплопроводности воды имеют важное значение для природы, а точнее, для жизни водоемов. Во многих уголках планеты температура окружающей среды значительно меняется в течение года.

Но даже при экстремально низких температурах водоемы никогда не промерзают до дна, благодаря чему в них сохраняется жизнь. В чем секрет? Разгадать эту загадку можно, если помнить о некоторых свойствах льда и воды.

Низкая теплопроводность льда

У льда плохая теплопроводность, поэтому, когда температура воздуха вокруг него снижается, под ним сохраняется относительное тепло. В любом случае температура будет плюсовая, благодаря чему вода не промерзнет до дна.

Интересные факты о воде для школьников

Таким образом из толстого слоя льда на водоеме получается своеобразное одеяло, оберегающее от мороза жизнь в водоемах. Чем сильнее холода, тем толще необходим слой льда, чтобы создать нужную теплоизоляцию.

Расширение воды при замерзании

Вода под слоем льда: Freepick

В процессе замерзания вода ведет себя нетипично для жидкости. Практически все жидкости во время охлаждения сжимаются, их объем сокращается, а концентрация увеличивается. К примеру, твердый воск тяжелее, чем жидкий, потому погружается в него и остается на дне.

С водой же происходит следующее:

• Она ведет себя так же, как и другие жидкости, до отметки в +4 °С, то есть сжимается.
• Дальнейшее замораживание приводит к постепенному расширению и уменьшению массы.
• Лед, который образуется при нулевой температуре, оказывается легче, чем незамерзший слой воды с плюсовой температурой.

Атомы и молекулы: что о них известно

Таким образом, вода при охлаждении не сжимается, а расширяется. В ходе этого процесса ее вес уменьшается.

Особенности плотности воды

Вода — особенное вещество еще и потому, что ее плотность в жидком состоянии выше, чем в твердом. Максимальной плотностью обладает вода при температуре +4 °С. В зимний период вода с такой температурной отметкой окажется на дне. Поверхность же украсит лед с плотностью около 900 кг/м³.

Сразу под ним будет вода с температурой около 0 °С, а по мере набора глубины температура достигнет +4 °С. При этом плотность будет расти, что не даст слоям смешаться и замерзнуть.

Как же замерзают водоемы? Этот процесс происходит так:

Сила тяжести: формула, единицы измерения, особенности

1. Вначале происходит охлаждение воды до +4 °С, ее плотность возрастает, и она спускается ко дну водоема. Нижние теплые слои, соответственно, поднимаются наверх, где происходит их остывание и дальнейшее погружение вниз.
2. Как только вся толща воды охладится до +4 °С этот процесс замедлится.
3. Дальнейшее охлаждение верхнего слоя приводит к процессу расширения и снижения плотности воды около поверхности. Опуститься вниз она уже не способна, поэтому продолжится замерзание и кристаллизация.
4. При нулевой отметке из верхнего слоя образуется лед, а нижний слой сохранит жидкое состояние.

Сохранение температуры выше ноля в нижнем слое водоемов обеспечивает живые организмы возможностью выжить в условиях суровой зимы. Если бы вода не имела таких особенных физических свойств, то всей водной флоре и фауне грозило бы вымирание.

Центр Вселенной: что это и где он находится

Интересно, что аналогичное свойство было обнаружено в Солнечной системе на спутниках планет-гигантов, на которых существуют большие запасы воды. В придонных зонах внеземных океанов показатели температуры, как правило, еще выше.

Ученые считают, что жидкую воду можно обнаружить под льдом таких планет, как Европа, Каллисто, Ганимед, Рея, Титания, Оберон, Тритон, Плутон. Возможно, их ледяные корки скрывают огромные океаны.

Теперь вам известно не только то, какова теплопроводность воды, но и чем она особенна и чем полезна природе. Все эти чудеса постоянно происходят вокруг нас. Физика объясняет их и делает загадочные явление понятными.

Узнавайте обо всем первыми

Подпишитесь и узнавайте о свежих новостях Казахстана, фото, видео и других эксклюзивах.

Источник

Почему вода не замерзает под слоем льда?

Вода — самое таинственное и при этом самое важное для поддержания жизни на планете вещество. У нее нет ни запаха, ни цвета, однако существование какой-либо жизни в том виде, в котором мы ее знаем, без воды попросту бы свелось к нулю. Одним из уникальных качеств воды является ее способность сохранять подводную жизнь благодаря интересной природной аномалии, при которой лед покрывает собой массы воды, не давая ей полностью замерзнуть. Согласно обычным физическим законам, все должно происходить в точности до наоборот и вещество, находящееся долгое время в твердой форме, должно быть на дне, а не на поверхности. Так почему же вода нарушает основные законы физики?

Возможно, жизнь на планете появилась благодаря природной аномалии

Почему лед не тонет?

Считается, что уникальная способность льда не уходить под воду обусловлена появлением в нем особенной кристаллической решетки, которая часто обогащена мельчайшими пузырьками воздуха. Ледяной покров, постепенно расползаясь от берегов водоема к самому его центру, надежно защищает всех обитателей от сильных морозов, сохраняя положительную температуру под ледяным куполом.

Теоретически, любой, даже самый большой водоем, может промерзнуть до самого дня при соблюдении определенных природных и температурных условий. В обычное же время даже небольшой пруд с максимальной глубиной около трех метров не способен промерзнуть до самого дна по причине, что при достижении водой критической отметки в +4 градуса по Цельсию, в пруде/озере/реке и других аналогичных водоемах начинается интенсивный процесс перемещения слоев разной температуры. Наиболее холодные водные слои постепенно поднимаются вверх, в то время как теплые начинают опускаться вниз. С понижением средней температуры, на поверхности водоема постепенно образуется лед, который останавливает процесс перемещения слоев воды разной температуры и не дает подледному миру полностью замерзнуть.

Могут ли живые организмы выжить во льду?

Несмотря на то, что для человеческого организма долгое нахождение в условиях низких температур чревато гибелью, для некоторых амфибий не страшны даже очень длительные морозы. Так, лягушки и тритоны обладают уникальной способностью вмерзать прямо во лед без каких-либо последствий для своего здоровья. Обычные прудовые лягушки в холодное время года впадают в анабиоз и самостоятельно размораживаются только с первыми лучами теплого солнца. Такую природную сверхспособность амфибии получили в результате длительной эволюции, которая подарила их организмам особый природный антифриз. Наличие антифриза в теле лягушки позволяет предотвратить образование мельчайших кристалликов льда, которые и являются основной причиной гибели живых клеток.

Некоторые лягушки могут зимовать прямо во льду

Может ли замерзнуть океан?

Как уже говорилось выше, при соблюдении современных климатических условий, даже самый неглубокий пруд не способен полностью промерзнуть. Однако давайте попробуем себе представить, что в результате некоего природного катаклизма на Земле промерзли до дна все океаны. Может ли такое произойти в действительности?

Брайникл или подводная “сосулька смерти” способна моментально уничтожить все живое в ее окрестности

Известно, что температура замерзания соленой воды зависит от уровня ее солености. Так, при среднем количестве содержания морской соли в воде, обычной температурой, при которой океан начинает покрываться тонкой коркой льда, становятся примерно -2…-4 градуса по Цельсию. Несмотря на то, что наша планета в разные эпохи переживала множество больших и малых ледниковых периодов, океаны нашей планеты никогда не промерзали до самого дна. Теплые океанические течения даже в самые холодные годы Земли помогали поддерживать морскую воду в жидком состоянии. Иными словами, возможность того, что однажды океаны планеты полностью замерзнут, сводится к абсолютному нулю.

Кстати говоря, знаете ли вы, что на Плутоне имеется свой подледный океан жидкой воды? Если уж такой далекий объект смог сохранить свои водные ресурсы в жидком состоянии, то нашей планете в этом плане не о чем переживать. В любом случае, давайте попробуем пофантазировать в нашем Telegram-чате, что могло бы произойти с человечеством в случае, если бы океаны нашей планеты каким-то образом все же полностью замерзли.

Источник

Почему вода не замерзает под толстым слоем льда? Причины, фото и видео

Вода часто ведет себя совершенно необычно, совсем не так, как подавляющее большинство других веществ. Интересная аномалия наблюдается с ней при замерзании – лед оказывается сверху, закрывая собой массы незамерзшей воды. По всем законам физики вещество в твердом агрегатном состоянии должно быть тяжелее жидкого аналога, а следовательно, лед должен был бы быть на дне.

Но все же он плавает сверху, а вода под ним остается не просто жидкой, но и пригодной для зимовки живых существ. Если бы все было иначе, и лед копился бы на дне, сохранение жизни в воде было бы невозможным. Ведь тогда водоемы промерзали бы полностью каждую зиму. Что обеспечивает защиту водоемам, и почему вода остается не промерзшей?

Почему лед не тонет?

Плавучесть льда обеспечивается тем, что при замерзании его плотность становится меньше, чем у окружающей воды. Он обретает кристаллическую решетку, а еще нередко обогащается пузырьками воздуха, которые дают ему дополнительный запас плавучести. Формируется покров от кромки водоемов, постепенно устремляясь к центру. Изначальная толщина и прочность льда невелики, однако таковые могут быстро увеличиваться в морозы.

Почему замерзает только верх водоема?

В теории, любой водоем может замерзнуть, до самого дна превратившись в лед. На практике же и небольшое озеро с максимальной глубиной метра в 3 не промерзает до дна даже в суровую российскую зиму, не говоря уже о прочих водоемах. Происходит это именно из-за льда, способного обеспечить существенную защиту от переохлаждения воды. Чтобы разобраться в нюансах, необходимо рассмотреть, как происходит сам процесс охлаждения воды.

При достижении водными массами отметки в +4 градуса начинается интенсивный процесс перемещения слоев в водоеме. Холодные слои начинают подниматься вверх, ведь их плотность с учетом специфики воды оказывается наиболее низкой. Теплые массы накапливаются на дне водоема. В верхних холодных слоях начинается процесс образования льда, который постепенно охватывает и перекрывает собой всю поверхность. После этого остывание воды практически прекращается.

Вода подо льдом уже не может перемешиваться ветром, все слои остаются в сохранности – особенно в стоячих или медленно текущих водах. Низкая теплопроводность льда создает своеобразную подушку, защищающую от дальнейшего выстуживания водоема. Впрочем, теплопроводность воды тоже невысока.

Водные массы остаются буквально законсервированными под ледяным панцирем до теплого периода, и все подводные обитатели могут без проблем перезимовать. Единственным сложным для них моментом является дефицит кислорода, ведь лед отделяет водную поверхность от воздуха и препятствует ее насыщению данным жизненно важным веществом. Именно поэтому рыбы в зимнее время порой прибиваются к пробуренным лункам или другим отверстиям во льду – им просто душно.

Некоторые виды живности зимуют прямо во льду родных озер – таковы лягушки, тритоны, к примеру. Особенности физиологии позволяют им без риска для жизни замораживать тельца, и в дальнейшем, после оттаивания весной, они могут снова жить как прежде. Природные антифризы в клетках исключают образование острого кристаллика льда в каждой из них при замораживании, а ведь именно этот кристаллик разрушает живую клетку, приводя к ее гибели и невозможности оттаивания в прежнем виде. Амфибиям мороз и замерзание во льду не страшны.

Таким образом, лед, образовавшийся по верхней кромке водоема, защищает его от дальнейшего вымораживания за счет своей низкой теплопроводности. Теоретически промерзнуть до дна могут даже океаны, однако температуры для этого должны быть очень низкими. На практике же полностью вымерзают только лужи и очень мелкие водоемы, а кроме того, неглубокие пруды и озера могут полностью промерзать при очень суровых зимах. В обычных условиях под слоем льда всегда сохраняется вода с небольшим плюсовым показателем температуры.

Почему вода не замерзает под толстым слоем льда – интересное видео

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник