При каких условиях вода не замерзает

Может ли вода оставаться жидкой при температуре ниже нуля?

Да, может. Температура замерзания воды падает ниже нуля градусов по Цельсию, если вы оказываете на неё давление. И не только.

Это может произойти несколькими способами. Рассмотрим их далее.

Давление

Прежде всего, фаза материала (будь то газ, жидкость или твёрдое вещество) сильно зависит как от его температуры, так и от давления.

Для большинства жидкостей давление поднимает температуру, при которой жидкость замерзает. Твёрдое тело образуется, когда свободные молекулы жидкости становятся достаточно медленными и достаточно близко располагаются друг к другу, чтобы сформировать стабильные связи, которые закрепляют их на месте. Когда мы оказываем давление на жидкость, мы заставляем молекулы сближаться. Поэтому они могут образовывать стабильные облигации и стать твёрдыми при более высокой температуре, чем температура замерзания при стандартном давлении.

Однако вода несколько уникальна.

Молекулы воды распространяются, когда они связываются в твёрдую кристаллическую структуру. Это действие делает лёд менее плотным, чем жидкостная вода, поэтому лёд плавает, а не тонет. Это действие молекул воды при замерзании также означает, что давление воды понижает температуру замерзания. Если вы примените достаточное давление (что затрудняет распространение молекул воды в твёрдую структуру), вы можете получить жидкую воду на несколько градусов ниже нуля градусов по Цельсию.

Добавки

Даже без давления вы можете получить жидкую воду при минусовой температуре, используя добавки. Такие добавки, как соль, могут помешать сформировать твёрдое тело и понизить температуру замерзания воды.

Соль состоит из сильных ионов натрия и хлора. Растворённые в воде, молекулы воды присоединяются к ионам соли, и поэтому не замерзают как охотно. По мере того, как вы добавляете больше соли в воду, точка замерзания продолжает падать, пока вода не достигнет насыщения и не сможет удерживать соль.

Если добавить достаточное количество соли, температура замерзания воды может упасть до -21 градуса Цельсия.

Этот факт означает, что вода при температуре -21 градус Цельсии может всё ещё быть жидкой (с достаточным количеством соли).

Это мощное свойство соли можно также использовать для того, чтобы дать льду превратиться обратно в воду. Посыпание солью ледяных тротуаров снижает температуру замерзания льда ниже температуры окружающей среды, и лёд тает.

Но посыпать солью обледеневшие дорожки не поможет, если температура окружающей среды ниже -21 градуса по Цельсию.

Воздействие соли на точку замерзания воды также оказывает глубокое воздействие на океаны Земли.

Другие методы. Переохлаждённая вода

Даже если вы не применяете давление и ничего не добавляете в воду, вы всё равно можете иметь жидкую воду при температуре ниже нуля градусов по Цельсию.

Для того, чтобы вода замёрзла до льда, ей нужно замёрзнуть, чтобы начать процесс. Эти отправные точки называются «центрами нуклеации». В большинстве случаев немного пыли, примесей или даже небольшие колебания в воде обеспечивают центры зарождения для замерзания воды. Но если ваша вода очень чистая и неподвижная, молекулам воды не на что кристаллизоваться. В результате вы можете охладить очень чистую воду ниже нуля градусов по Цельсию без замерзания.

Вода в таком состоянии называется «переохлаждённой».

Чистую воду можно переохладить до около -40 градус Цельсия.

Переохлаждённая вода удерживается от замерзания только отсутствием центров зарождения. Поэтому, как только появятся центры нуклеации (что может произойти от простой вибрации), супер-охлаждённая вода быстро замерзает.

Ледяной дождь — это естественный пример переохлаждённой жидкой воды. Как только дождь попадает на объект на поверхности Земли, объект обеспечивает центры нуклеации, и дождь замерзает до льда.

Какой обьект обеспечивает какие центры нуклеации? Что спрятано за этими терминами? — незнание!

Источник

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

Неразгаданные тайны воды

Вода представляет собой вещество с простейшей химической формулой, она тщательно исследована и, казалось бы, не должна таить в себе никаких загадок. Активное изучение воды ведется со второй половины 19 столетия, однако многие ее свойства до сих пор не нашли объяснения. За все это время исследователи выявили множество феноменов, число которых не уступает официально доказанным фактам.

Стоит отметить, что удивительные свойства других жидких веществ достаточно просто объясняются физическими законами. Это еще больше увеличивает интерес ученых к воде и заставляет проводит все новые и новые опыты. Единственное вещество, которое составляет достойную конкуренцию по количеству аномальных свойств, — это гелий. Однако он является достаточно редким элементом. Гелий превращается в жидкость только при низких температурах и в основном встречается в газообразном виде. Вода же присутствует во всех точках земного шара. При этом ее можно без труда найти в любых трех состояниях.

Согласно общепринятому научному мнению жидкая вода имеет простейшую структуру, неспособную к изменениям. Если молекулы льда имеют форму тетраэдра, то после таяния они ее неизбежно утрачивают. Это объясняется тем, что вода в жидком виде не может удерживать устойчивых водородных связей. При этом ряд ученых имеют совершенно иную точку зрения. Они считают, что водородные атомы жидкой воды способны иметь прочную связь, но образуется она на очень краткий промежуток времени, который не в состоянии уловить даже инновационные приборы. В этот момент и проявляются феноменальные свойства, которые не находят объяснений с позиций современной физики. Существуют мнения, что вода может заряжаться энергетикой окружающего пространства, запоминать информацию, менять свою структуру под различными воздействиями, увеличивать биологическую активность после разморозки. Также замечено и множество других невероятных свойств, которые только предстоит доказать ученым.

Наибольшее удивление вызывают 5 аномальных особенностей воды:

Горячая вода замерзает быстрее холодной.

Это необычное свойство было замечено еще в древние времена. Его упоминали Аристотель, Р. Декарт и Ф. Бэкон. Официально оно было открыто только в 1963 г. школьником из Танзании Э. Б. Мпемба. Он заметил эту странную особенность у молока во время практики по поварскому делу. Затем Мпемба провел опыты с водой и сообщил о феномене университетскому профессору по физике, который читал лекции в его школе. В дальнейшем они вместе организовали ряд исследований, но разгадку так и не нашли. Это свойство по сей день не имеет общепризнанного объяснения. В честь своего открывателя оно называется «эффект Мпемба».

Вода иногда не замерзает при минусовой температуре.

Всем известно, что при 0°С вода превращается в лед. Однако в некоторых случаях она остается в жидком виде даже при значительных минусовых температурах. Такой эффект наблюдается только в том случае, если в ее составе полностью отсутствуют посторонние примеси. Незамерзающая вода получила название сверхохлажденной. При появлении мельчайшего инородного включения начинается кристаллизация, и жидкость моментально переходит в твердое состояние.

«Стеклянная» вода

В школьном курсе физики рассказывается о том, что вода может находится в трех состояниях. На самом деле их гораздо больше. Вода имеет по меньшей мере 5 видов жидких и 14 твердых состояний. Наиболее необычные из них она принимает при низких температурах. При -120°C вода представляет собой тягучее вещество с высокой степенью вязкости, при -135°C ее структура практически полностью повторяет стекло, она теряет все кристаллические включения.

Память воды

В 2002 г. международная научная группа, возглавляемая профессором М. Эннис из Белфаста, сообщила о том, что вода способна «запоминать» информацию. Другие лаборатории не подтвердили открытие. Тем не менее, исследователи не прекращают поиск доказательств в пользу этого феномена.

Несмотря на то что открытие памяти у воды не получило научного подтверждения, оно легло в основу гомеопатии – неофициального медицинского направления. Его последователи утверждают, что препараты не утрачивают своих свойств даже при растворении в значительном количестве воды. Она сохраняет информацию о целебных веществах и оказывает на организм человека необходимый эффект.

Квантовое число воды

В 1995 г. ученые обнаружили еще одно удивительное свойство воды. Оказывается, что ее формула подвержена трансформациям. Из H2O она переходит в H1,5O, а затем возвращается в первоначальное состояние. Процесс происходит в течение 10-18 секунд – за этот период свет проходит расстояние, соответствующее размеру водной молекулы. Это доказывает опыт по рассеиванию нейтронов. Когда они направлены на молекулы воды, то «улавливают» на четверть меньше водородных протонов. Феномен трансформации был назван квантовым.

Поверхностное натяжение воды

Феномен натяжения заключается в том, что вода всегда стремится минимизировать площадь своей поверхности. При отсутствии этого свойства она бы моментально улетучивалась. Поверхностное натяжение при 20°C составляет 0,073 Н/м2. Аналогичное его значение имеет только ртуть – жидкий металл с уникальными химическими характеристиками.

Водные молекулы имеют настолько тесную взаимосвязь, что образуют упругую поверхность, напоминающую пленку. Если аккуратно положить на нее швейную иглу, то она не утонет до тех пор, пока не будет нарушено спокойствие воды. Большое поверхностное натяжение делает возможным множество удивительных природных явлений. Маленькие улитки и комариные личинки прикрепляются к водной глади и охотятся на свою добычу, а водомерки скользят по ее поверхности как на коньках. Определенные виды насекомых способны садится на воду и взлетать с нее также как и с земли. Кроме того, феномен натяжения объясняет возможность смачивания предметов. Молекулы воды «прилипают» к поверхностям, с которыми они соприкасаются, и делают их влажными.

Источник