При каком состояние вода замерзает

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

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

Почему вода замерзает? Описание, фото и видео

Вода – это вещество, которое может наблюдаться в трех агрегатных состояниях. Она может замерзать и быть твердым льдом, она бывает в жидкой форме, и также она присутствует в виде пара – не только в бане, но и в небе, в виде облаков. Однако в рамках данной статьи остановимся на первом ее состоянии, твердом.

Вода замерзает, образуя кристаллики твердого льда. Лед может формировать многокилометровые поверхности, покрывая реки, озера и другие водоемы. При этом он оказывается легче жидкой воды и всегда находится сверху. Замерзает вода из-за понижения температур.

Температуры и агрегатное состояние веществ

Чем выше температуры, тем дальше отстоят между собой молекулы любых веществ. Их отдаление друг от друга приводит к размягчению вещества, которое сначала становится жидким, а потом и вовсе газообразным. Этот процесс можно рассмотреть на примере железа, которое плавится в тигле и обретает жидкую форму. При сильном повышении температур оно может стать и газообразным, то есть, испариться, но для этого температура должна быть по-настоящему высокой.

Вода же при обычной комнатной температуре является жидкостью. При повышении температур она станет паром, а при понижении – льдом. Ведь понижение температуры имеет обратное влияние на молекулы – они сближаются. А при их сближении вещество становится тверже, плотнее. Такого же эффекта можно добиться при механическом прессовании любого вещества- оно станет тверже, опять же из-за сближения молекул.

Что происходит при понижении температур?

Когда на воду оказывается влияние пониженных температур, молекулы сближаются, образуя шестигранные формы. Разумеется, это снежинки, которые являются кристаллами воды. Остывание воды и ее кристаллизация – это фактически синонимы, описывающие один и тот же процесс. Вода начинает кристаллизоваться при температуре в 0 градусов – именно этот момент и взят за нулевую отметку по шкале Цельсия. Если рассматривать американскую шкалу Фаренгейта, то здесь застывание воды будет происходить при 32 градусах.

Но для создания кристаллов воды нужна основа, какие-либо примеси или взвеси, благодаря которым стартует этот процесс. И если вода абсолютно чистая, здесь наблюдается несколько другое явление – порой она застывает только при -40 градусах, а при нуле и других не слишком низких отметках остается жидкой. Однако не замерзает она только в спокойном состоянии. Если ее взболтать при минусовых отметках, она немедленно превратится в лед.

Интересные факты

С водой связано множество парадоксов. И кроме уже описанного выше нюанса, необходимо отметить, что лед занимает больше объема, чем жидкая вода, то есть, при замерзании это вещество расширяется, в то время как другие наоборот занимают меньше объема при низких температурах. Именно с расширением воды при формировании льда и связано лопание бочек, труб и других объектов, оставленных на зиму заполненными водой.

На момент замерзания молекулы немного отдаляются друг от друга, что и дает такой эффект. И именно этот фактор, наряду с вмерзшими пузыриками воздуха, делает лед плавучим. Если бы он тонул или формировался со дна, ни одно живое существо в водоемах не смогло бы перезимовать. Но формируясь именно на поверхности, и оставаясь там, лед наоборот сохраняет тепло воды и выполняет защитную функцию в зимнее время, давая животным, растениям и рыбам возможность перезимовать и выжить.

Есть и другие интересные феномены. Так, практика показала, что горячая вода замерзает быстрее холодной, и это явление с удивлением наблюдали еще во времена античности. На данный момент существует несколько гипотез, объясняющих этот парадокс, но окончательного ответа так и не было найдено.

Вода – это загадочная стихия, и чем больше люди погружаются в ее изучение, тем больше необъяснимых загадок она приносит. На данный момент установлено, что она обладает памятью, может быть мертвой или живой. Она является универсальным растворителем, и имеет массу других уникальных качеств. Несмотря на ее изобилие и распространенность на нашей планете, она все еще сохраняет множество своих загадок, и с большинством из них ученым приходится только мириться. Ведь спорить с фактами затруднительно.

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

Источник