Вода может быть переохлаждена до температуры

Переохлаждение воды

При охлаждении чистой воды до температур ниже 0° ее молекулы не всегда образуют правильные четырехгранные кристаллы.

Иногда они сохраняют беспорядочное расположение, характерное для жидкого состояния; в таких случаях говорят, что вода переохладилась и может оставаться в таком метастабильном состоянии при очень низких температурах (до —40°). Известно, что мельчайшие капельки воды в облаках переохлаждены и температура их достигает —40°. Переохлажденная вода не может находиться в состоянии равновесия с кристаллами льда. Если внести кристалл льда в облако, состоящее из отдельных капелек переохлажденной воды, или же в сосуд с переохлажденной водой, то сразу же во всем облаке или во всей жидкости в сосуде начнется процесс кристаллизации. Благодаря большой скорости этого процесса образовавшиеся кристаллики очень малы. Однако впоследствии они разрастаются и подвергаются миграционной перекристаллизации, как говорилось выше. Доля переохлажденной воды, превращающейся в лед, зависит от температуры. Следует помнить, что в процессе кристаллизации выделяется скрытая теплота (80 кал/г), в результате чего температура повышается до 0°. Если не устранить достаточного количества тепла, кристаллы льда будут соприкасаться с жидкой водой с температурой 0°, которая уже не находится в состоянии переохлаждения. При дальнейшем же устранении тепла кристаллы льда разрастаются за счет воды, которая, как известно, в их присутствии не может оставаться в состоянии переохлаждения. Образование центров кристаллизации в переохлажденной воде может происходить самопроизвольно, по-видимому вследствие стремления молекул воды объединяться в тетраэдры. При низких температурах динамическое равновесие между разрушением и образованием тетраэдров, по-видимому, нарушается и возникают агрегаты молекул; этот процесс получил название гомогенного образования центров кристаллизации. Или же введение какой-нибудь инородной частицы (например, кристалла иодистого серебра, пылинки и т. п.) приводит к нарушению равновесия и вызывает кристаллизацию, которая в дальнейшем распространяется по всей массе воды при температуре ниже 0°; этот процесс называют гетерогенным образованием центров кристаллизации.

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

Источник

Впервые доказано, что переохлажденная вода — стабильная жидкость

Переохлажденная вода — это действительно две жидкости в одной. К такому выводу пришла группа исследователей Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США после первых в истории измерений жидкой воды при температурах намного ниже ее типичной точки замерзания.

Открытие, опубликованное в журнале Science, предоставляет долгожданные экспериментальные данные, чтобы объяснить некоторые из странных свойств воды, которые проявляет вода при чрезвычайно низких температурах в космическом пространстве и в удаленных частях атмосферы Земли.

До сих пор жидкая вода при самых экстремальных температурах была предметом конкурирующих теорий и гипотез. Некоторые ученые задаются вопросом, действительно ли вода существует в виде жидкости при температурах до 190 K, или же странное поведение — это просто перестройка воды на ее неизбежном пути в твердое тело.

Аргумент имеет значение, потому что понимание воды, которая покрывает 71 процент поверхности Земли, имеет решающее значение для понимания того, как она регулирует нашу окружающую среду, наши тела и саму жизнь.

«Мы показали, что жидкая вода при очень низких температурах не только относительно стабильна, но и существует в двух структурных мотивах», — сказал Грег Киммел, физик-химик из PNNL. «Полученные данные объясняют давние споры о том, всегда ли сильно переохлажденная вода кристаллизуется, прежде чем она сможет уравновеситься. Ответ: нет».

Переохлажденная вода: история двух жидкостей

Можно подумать, что мы понимаем воду. Это одно из самых распространенных и наиболее изученных веществ на планете. Но, несмотря на кажущуюся простоту — два атома водорода и один атом кислорода на молекулу — H2O обманчиво сложна.

Для воды на удивление трудно замерзнуть чуть ниже точки плавления: вода сопротивляется замерзанию, если ей не с чего начать, например, пыль или какое-то другое твердое вещество, за которое можно прилипнуть. В чистой воде требуется энергичный толчок, чтобы молекулы образовали особую структуру, необходимую для замерзания.

И при замерзании она расширяется, что является странным поведением по сравнению с другими жидкостями. Но именно эта странность поддерживает жизнь на Земле. Если бы кубики льда утонули или водяной пар в атмосфере не сохранял тепло, жизни на Земле, какой мы ее знаем, не существовало бы.

Странное поведение воды занимало физиков-химиков Брюса Кея и Грега Киммеля более 25 лет. Теперь они вместе с исследователями Лони Кринглом и Уяттом Торнли достигли важной вехи, которая, как они надеются, расширит наше понимание искривлений, которые могут вызывать молекулы жидкой воды.

Были предложены различные модели для объяснения необычных свойств воды. Новые данные, полученные с помощью своего рода стоп-кадра переохлажденной воды, показывают, что она может конденсироваться в жидкоподобную структуру высокой плотности.

Эта форма с более высокой плотностью сосуществует со структурой с более низкой плотностью, которая больше соответствует типичному связыванию, ожидаемому для воды. Доля жидкости с высокой плотностью быстро уменьшается при изменении температуры от -28,17 ºC (245 K) до -83,17 ºС (190 K), что подтверждает предсказания моделей «смеси» для переохлажденной воды.

Ученые использовали инфракрасную спектроскопию, чтобы наблюдать за молекулами воды, захваченными в своего рода остановленном движении, когда тонкая пленка льда была поражена лазером, создавая переохлажденную жидкую воду на несколько наносекунд.

«Ключевое наблюдение заключается в том, что все структурные изменения были обратимыми и воспроизводимыми», — говорят исследователи.

Это исследование может помочь объяснить град — замерзшие гранулы, которые иногда падают во время штормов с прохладной погодой. Градины образуются, когда снежинки взаимодействует с переохлажденной жидкой водой в верхних слоях атмосферы.

«Жидкая вода в верхних слоях атмосферы глубоко охлаждается», — говорит Брюс Кей, научный сотрудник PNNL и эксперт по физике воды. «Когда она сталкивается со снежинками, она быстро замерзает, а затем в правильных условиях падает на Землю. Это действительно единственный раз, когда большинство людей испытывают на себе воздействие переохлажденной воды».

Исследования также могут помочь понять, как жидкая вода может существовать на очень холодных планетах — Юпитере, Сатурне, Уране и Нептуне — в нашей солнечной системе и за ее пределами. Переохлажденный водяной пар также создает красивые хвосты, тянущиеся за кометами.

Многое еще предстоит узнать, и сделанные измерения помогут лучше понять самую распространенную жидкость на Земле.

Источник

7 увлекательных научных фактов, о которых не рассказывали в школе

Некоторые люди в школьные годы влюбляются в науку и потом выбирают научную профессию. Если вы не входите в эту группу, и у вас обычно нет времени углубляться в предмет, вы, возможно, пропустили десятки (если не сотни) совершенно захватывающих фактов и открытий, которым не учили в школе. Здесь собраны 7 необычных научных фактов, которые напомнят вам, насколько невероятна наша Вселенная.

1. Воду можно переохладить ниже точки замерзания.

В школе мы все изучали температуру кипения и замерзания воды. Мы знаем, что вода остается жидкой между 0 и 100°C. Еще немного ниже — и она станет твердой. Но знаете ли вы, что на самом деле можно «переохладить» воду ниже точки замерзания и заставить ее оставаться в жидкой форме?

Вот как это работает. Молекулы H2O имеют отчетливую форму «Микки-Мауса», что приводит к формирования ледяных кристаллов в сетчатой структуре большого объема. Подобно снежинкам, эти кристаллы льда нуждаются в чем-то, за что можно зацепиться, чтобы расти, например, в примесях, плавающих в воде. Чистая дистиллированная вода не имеет таких примесей. В результате чистая вода может быть “переохлаждена” до температуры значительно ниже точки замерзания.

2. У Никола Теслы был план обеспечить бесплатным беспроводным электричеством весь мир.

Идеи Никола Теслы стремительно опережали свое время, но современники часто неправильно понимали гениального физика. Сегодня его широко ценят за достижения в области электричества и энергетики.

Одним из его проектов была башня Уорденклифф — беспроводная телекоммуникационная система, которая могла бы свободно передавать энергию по всему миру. В 1901 году грандиозный проект наконец получил зеленый свет и щедрое финансирование. Финансист Джей Пи Морган решил вложить 150 000 долларов (эквивалент 4 миллионам долларов сегодня) в строительство башни Уорденклифф. Проект становился все более амбициозным, поскольку Тесла хотел одержать верх над своим соперником Гульельмо Маркони, который сумел передать радиосигналы между Францией и Англией, а также передал азбуку Морзе через Атлантику.

Морган отказался вкладывать дополнительные средства в проект, но Тесла продолжил свой первоначальный план. Башня была возведена в 1902 году, и физик проводил там эксперименты до 1905 года. Увы, ученому не удалось запустить свою любимую телекоммуникационную станцию, первую из многих. В конце концов Тесла потерял право собственности на башню, так как не мог позволить себе брать кредиты. Башня была снесена в 1917 году, но Тесла никогда не переставал верить в свою мечту.

«Это не сон,— настаивал он, — это обычная способность электроинженерии, только дорогая. Слепой, малодушный, сомневающийся мир!»

3. Лампочки столетней давности служили гораздо дольше, чем сегодняшние.

Технологии должны становиться все более и более эффективными с течением времени, верно? Ну, в теории да. Но что, если мы скажем вам, что до 1924 года средняя продолжительность жизни лампочки составляла около 2500 часов ? То есть почти 4 месяца, а в некоторых случаях ранние лампочки работали гораздо дольше. Одна из них, изготовленная в 1901 году, все еще горит и сегодня, 120 лет спустя!

В декабре 1924 года глобальная организация, известная как картель Феба, разработала секретный план увеличения продаж, уменьшив период работы лампы всего до тысячи часов. Для этого они даже перепроектировали свои собственные продукты. Сегодня, почти век спустя, эта модель — то, с чем мы и имеем дело ежедневно.

4. Существует микроскопическое животное, которое может выжить в открытом космосе.

Вы когда-нибудь слышали о тихоходках? Эти микроскопические животные также носят прозвища «водяной медведь» или «моховой поросенок» из-за их пухлого телосложения и того факта, что они встречаются в мшистой водной среде.

Что делает тихоходок такими уникальными, так это их способность выживать в особо суровых условиях, в том числе на высоте 5546 м в Гималаях, в кипящих японских источниках и даже в космическом пространстве. В 2007 году тысячи тихоходок были прикреплены к спутнику и выброшены в космос. После возвращения спутника на Землю ученые обнаружили, что многие из крошечных существ выжили. Мало того, в космосе некоторые самки даже откладывали личинки, при этом только что появившиеся на свет детеныши были здоровы.

Тихоходки могут пережить засуху и кислородное голодание, войдя в особое состояние, называемое криптобиозом. В этом состоянии они поджимают ноги и выталкивают всю влагу из своего тела, создавая вокруг себя особую капсулу, называемую туном. Так их метаболизм замедляется до 0,01% от нормального. Тихоходки могут оставаться в этом коконе десятилетиями и покидать его только при контакте с водой. Неудивительно, что эти выносливые твари смогли выживать на нашей планете в течение 500 миллионов лет!

5. Мужчины чаще страдают дальтонизмом, чем женщины.

Во всем мире 1 из 12 мужчин и 1 из 200 женщин страдают дальтонизмом. Это довольно резкая разница. По данным Национального института глаз (США), гены, ответственные за наиболее распространенный тип дальтонизма, находятся в Х-хромосоме. Людям с Х- и Y-хромосомами нужна всего одна дефективная Х-хромосома, чтобы быть дальтониками. А у людей с двумя Х-хромосомами они должны быть дефективными обе.

Большинство женщин имеют две Х-хромосомы, а большинство мужчин — Х и Y. Вот почему дальтонизм значительно чаще встречается у мужчин, чем у женщин.

6. Мы понятия не имеем, как выглядит большая часть Вселенной.

Все звезды, планеты и галактики, видимые человеческим глазом, составляют лишь 4% Вселенной. Остальные 96% состоят из чего-то, что люди не могут увидеть, обнаружить или даже понять- темной материи и темной энергии. Астрономы делают вывод о существовании этих сил, основываясь на гравитационном влиянии, которое они оказывают на видимую Вселенную.

Понимание того, что во Вселенной может быть больше массы, чем вещество, которое мы способны видеть, впервые сформировалось в 1960-х годах. В последующие шесть десятилетий исследователи не смогли выяснить природу темной материи. Распространенная гипотеза заключается в том, что темная материя состоит из экзотических частиц, не способных взаимодействовать со светом и обычной материей. Следовательно, они невидимы. Подавляющая часть Вселенной — это что-то не доступное для человеческого понимания! «Это неизвестно сейчас и, возможно, навсегда», — как выразился научный писатель Ричард Панек.

7. Облако может весить более 450000 кг.

Когда вы смотрите на небо и видите облака, так легко плывущие над вами, можно подумать, что они почти невесомы. Это предположение очень далеко от истины. По подсчетам ученых, вес среднего кучевого облака составляет почти 500000 кг! Это эквивалентно 100 слонам или самому большому в мире пассажирскому самолету.

Так как же такой вес может «летать»? Простое объяснение состоит в том, что вся эта масса распределена по очень большой площади в виде миллионов капель, некоторые из которых настолько малы, что для создания всего одной капельки дождя их понадобится миллион.

А вы знали об этих фактах? Поделитесь своим мнением в комментариях!

Если вам понравилась статья, поставьте ей лайк и не забудьте подписаться на канал, чтобы не пропустить все самое интересное!

Источник

Физики впервые получили воду в новом агрегатном состоянии. Раньше о нем догадывались только в теории

Американские ученые впервые получили переохлажденную воду. Об этом сообщили авторы эксперимента, исследователи Городского университета Нью-Йорка (CUNY), опубликовав статью в журнале Science.

Полученная жидкость не замерзает при температуре –68°С. Ее изучение позволило доказать, что вода на самом деле состоит как минимум из двух разных типов жидкости, обладающих разными физическими свойствами.

«Пытаясь объяснить некоторые аномальные свойства воды при помощи расчетов на суперкомпьютерах, теоретики еще 30 лет назад предположили, что жидкая вода может существовать в двух разных состояниях. Эта противоречивая гипотеза была одним из самых важных вопросов в химии и физике воды, который не удавалось долго решить», — заявил профессор CUNY Николас Джовамбаттиста, слова которого приводит пресс-служба вуза.

В течение долгого времени ученые считали, что вода может находиться в жидком виде лишь в одном состоянии. На рубеже веков исследователи обнаружили, что пространственная структура и некоторые физические свойства молекул воды зависят от направления спинов атомов водорода. Тогда были раскрыты различия в химических свойствах двух подобных пространственных форм молекул воды — их назвали «паравода» и «ортовода».

Трудности с отделением этих форм друг от друга породили массу споров в научной среде. При проведении экспериментов с водой, охлажденной до сверхнизких температур, возникло предположение, что вода может существовать в жидком виде в двух разных формах (или фазовых состояниях), которые обладают сравнительно низкой и высокой плотностью. Исследователи дискутировали, существуют ли эти состояния в реальности или только в теории.

В теории вода может оставаться жидкостью при температурах до —70°С, однако добиться этого крайне сложно. Как правило, воду можно удерживать в жидком состоянии при температурах, не превышающих —48°С, но из нее нужно удалить все примеси, а охлаждать ее необходимо очень быстро.

Сейчас физики решили эту проблему, не охлаждая воду, а особым образом нагревая аморфный лед высокой плотности при помощи инфракрасного лазера на очень мощных и при этом сверхкоротких импульсах теплового излучения. Под этим воздействием плотность образца воды не менялась при таянии, что впервые позволило ученым увидеть, как формируется вода высокой плотности, а также проследить за ее превращением (переходом в другое агрегатное состояние) в воду легкой плотности.

Наблюдения подтвердили теорию, что оба типа жидкостей обладают разными свойствами, а также установили разницу в плотности двух форм — масса «тяжелой» воды была примерно на 20% больше, чем ее легкой разновидности. Как показали расчеты профессора Джовамбаттисты и его коллег, обе формы переохлажденной воды не будут смешиваться друг с другом в покое.

Источник