Вода охлаждается предварительно до температуры кристаллизации

5 аномальных фактов о воде

Несмотря на простую химическую формулу, вода — вещество с очень необычными свойствами. Она таит в себе множество загадок, которые порой не под силу разгадать даже ученым.

Перед вами пять наиболее интересных фактов о воде.

1. Горячая вода замерзает быстрее холодной

Возьмем две емкости с водой: в одну нальем горячую, а в другую — холодную воду, и поместим их в морозильную камеру. Горячая вода замерзнет быстрее холодной, хотя по логике вещей, первой должна была превратиться в лед холодная вода: ведь горячей воде надо сначала остыть до температуры холодной, а потом уже превращаться в лед, в то время как холодной воде остывать не надо.

Почему же так происходит?

В 1963 году один танзанский студент по имени Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba) замораживая приготовленную смесь для мороженого, заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним.

К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.

Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.

Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.

2. Сверхохлаждение и «мгновенное» замерзание

Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C … за исключением некоторых случаев! Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания.

Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.

Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.

Заметьте, что «сверхнагретая» вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.

3. «Стеклянная» вода

Не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды? Если вы ответили три: твердое, жидкое, газообразное, то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.

Помните разговор про сверхохлажденную воду? Так вот, что бы вы ни делали, при температуре -38 °C даже самая чистая сверхохлажденная вода внезапно превратится в лед.

Что же произойдет при дальнейшем понижении температуры?

При -120 °C с водой начинает происходить что-то странное: она становится сверхвязкой или тягучей, как патока, а при температуре ниже -135 °C она превращается в «стеклянную» или «стекловидную» воду – твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.

4. Квантовые свойства воды

На молекулярном уровне вода удивляет ещё больше. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, «видят» на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.

Оказалось, что на скорости одной аттосекунды (10 -18 секунд) имеет место необычный квантовый эффект, и химическая формула воды вместо H2O, становится H1.5O!

5. Есть ли у воды память?

Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды.

Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием «память воды», согласно которой вода на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.

Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen’s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию.

Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта «памяти воды». Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена «памяти воды» продолжаются.

Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в этой статье. Например, плотность воды меняется в зависимости от температуры (плотность льда меньше плотности воды); вода обладает довольно большой величиной поверхностного натяжения; в жидком состоянии вода представляет собой сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров, и именно поведение кластеров влияет на структуру воды и т.д.

Источник

Почему вода превращается в лед не при 0 градусов

Стандартное утверждение о том, что вода замерзает при достижении температуры в 0 градусов Цельсия, на самом деле некий стереотип. Температурных порогов, при которых замерзает вода, существует не так уж мало, и зависят они от разных свойств воды и окружающей обстановки. К примеру, чистая вода может даже замерзнуть при -42°С, в зависимости от условий, в которых она охлаждается.

Почему так происходит

Для формирования кристаллов льда могут использоваться различные частицы и дефекты тары

Чтобы кристаллы льда сформировались, необходима основа, а ею могут стать различные вещества и мелкие тела, например, пылевые частицы. А ожидать, что чистая вода замерзнет, согласно распространенному мнению, при нулевой температуре, не стоит. Ядрами кристаллизации, как известно из курса физики, могут выступать растворенные в воде минеральные и органические частицы, но и не только они.

Кристаллизация может «выбрать» в качестве основы различные дефекты тары, в которой вода в этот момент находится, такие как сколы и трещины, а также воздушные пузырьки. Кстати, так как у горячей воды число ядер кристаллизации больше, то и замерзает она быстрее, чем холодная. Этот интересный факт известен любому старшекласснику. Если сосуд чист, и сама вода тоже, то она может какое-то время при отрицательной температуре находиться в обычном жидком состоянии. Но оно считается неустойчивым, потому что стоит появиться какой-либо посторонней частице, например, пылинке, как вокруг нее немедленно начнет образовываться ледяной кристалл, и вся остальная вода вокруг тоже становится льдом.

Источник

Почему вода при замерзании расширяется. Что за напасть?

Все мы помним, что согласно молекулярно-кинетической теории тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются . Это объясняется тем, что при увеличении температуры количество соударений частичек увеличивается, что и заставляет конструкцию «растянуться». Ну а при замерзании процесс обратный.

И всё бы ничего. Но вода. Она такая вода! Если оставить на морозе банку с водой, то как только вода замерзнет, то банку разорвет в клочья. Может быть вам доводилось слышать, как где-то на балконе в сильные морозы лопаются банки. А ещё на морозе лопаются и более серьезные предметы. Так, может лопнуть и расширительный бак, труба водоснабжения или водонапорная башня.

Всё это происходит потому, что вода при кристаллизации расширяется. Если вода расширяется сильнее, чем ей это позволяет сделать имеющийся объем, то вода разворотит этот объем. И всё бы ничего. Но почему вода обладает такой странной особенностью?

Аномалия плотности при охлаждении

Оказывается, это хитрое свойство называется аномалией плотности . Подобная картина характерна не только для воды, но и некоторых других веществ, таких как германий, кремний, галлий, сурьма, висмут, церий .

Если же вернуться к воде, то тут всё довольно интересно. Сначала вода действительно становится всё плотнее при охлаждении и достигает максимальной плотности при температуре +4 градуса по шкале Цельсия . Всё это время объем охлаждаемой воды действительно уменьшается. Но а потом объем охлаждаемой воды начинает увеличиваться даже несмотря на охлаждение, она кристаллизуется и лёд тоже увеличивается в объеме, который превышает объем исходной жидкости.

Это хитрая особенность делает воду идеальным вариантом для заполнения водоема. Ведь будь в реках и озерах другая жидкость, кристаллизация этой жидкости привела бы к тому, что куски того «льда» тонули.Ну а лёд из обычной воды, легче, чем сама вода, потому прекрасно и плавает по поверхности. Так водоем может покрыться коркой льда, а под ним останется вода, которая не будет промерзать и позволит подводным жителям пережить морозы.

Что происходит на «атомном» уровне

Ответ на вопрос «почему» уже существует. Давайте вспомним, как выглядит молекула воды. Её рисуют чуть ли не на каждом заборе.

Источник

Задание №9 ОГЭ по физике

Основы термодинамики

Для решения задания № 9 ОГЭ по физике требуется знание основ термодинамики, а именно: основных физ.величин, явлений и понятий, значимых в этом разделе курса физики. Часть необходимых теоретических сведений приведена в разделе теории к заданию, остальные – в разделах теории к другим заданиям по данному разделу. В первую очередь это задание № 8, где рассмотрены понятия средней скорости, кинетической энергии молекул, удельной теплоемкости и др.

Теория к заданию №9 ОГЭ по физике

Взаимные преобразования газов, жидкостей, твердых тел

Практически всякое вещество может находиться как в твердом, так и в жидком и газообразном состоянии. Эти состояния называют агрегатными. Вещество пребывает в одном из них в зависимости от своей температуры. Значения температур, при которых происходят переходы в то или иное агрег.состояние, разнятся для разных тел.

Некоторые вещества не имеют газообразного состояния. Это физ.тела, имеющие сложное хим.строение, которые при повышении температуры распадаются еще до достижения ими газообразного состояния. Таким, в частности, является сахар.

Процесс перехода газа в жидкость называется конденсацией (или сжижением). Обратный процесс – преобразование жидкости в газ – называют испарением.

Переход вещества из жидкого состояние в твердое – это кристаллизация (или замерзание), из твердого в жидкое – плавление.

Возможен переход из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое; он называется сублимацией (или возгонкой). Обратный процесс называют десублимацией.

Процесс перехода из газообразного состояния в четвертое агрегатное – плазму – называют ионизацией, а обратно – из плазмы в газ – рекомбинацией.

Тепловое равновесие

Тепловым равновесием называют состояние физ.системы, имеющей единые макроскопические параметры, которые сколь угодно долго остаются неизменными. Тепловое равновесие по-другому называют термодинамическим.

Значимыми параметрами системы, находящейся в состоянии теплового равновесия или стремящейся к нему, являются ее объем, давление, температура. Отличительные особенности такой системы – это отсутствие взаимных преобразований и теплообмена с окружающими физ.телами. Микроскопические процессы при тепловом равновесии – взаимодействие и движение частиц физ.системы – не прекращаются. За счет этого осуществляется обмен энергии; при нагревании и при переходах из одного агрегатного состояния в другое энергия поглощается, при охлаждении – отдается.

Пар насыщенный и ненасыщенный

Молекулы жидкости у ее поверхности постоянно испаряются в некотором количестве. А молекулы ее пара, которые находятся в непосредственной близости с поверхностью жидкости, частично конденсируются. Эти процессы не прекращаются, все время изменяя уровень влажности и степень насыщенности воздушных масс на границе с жидкостью. Причем в зависимости от температуры окружающей среды может преобладать то процесс испарения, то конденсации. И пока эти процессы неуравновешенны, т.е. пока количество испаряющихся и конденсирующихся молекул разное, пар является ненасыщенным. Когда эти количества станут равными, пар становится насыщенным.

Насыщения пара можно достичь тогда, когда жидкость находится в закрытой емкости. В этом случае вне зависимости от изменения температуры и объема емкости с течением времени происходит насыщение пара. Когда температура понижается, молекулы пара начинают конденсироваться интенсивнее, чем молекулы жидкости испаряться. Это приводит к уменьшению плотности газа, которое автоматически ведет к увеличению интенсивности испарения. И пар снова приходит в насыщенное состояние. При увеличении температуры происходит обратное, но в результате пар все равно приходит к насыщению. А при изменениях объема те же процессы происходят в связи с изменениями давления в емкости. Впрочем, в таких процессах все величины – плотность, давление и т.д. – напрямую взаимосвязаны, так что их разделение и акцент на одной из них являются условными.

Насыщение пара означает, что для жидкости достигнуто состояние термодинамического равновесия.

Влажность

Влажность – физ.величина, характеризующая содержание воды в среде или физ.теле. Чаще всего влажность измеряют в процентах (%):

1. от первоначального ее объема в физ.теле или в среде
2. от первоначальной массы вещества.

Различают влажность абсолютную и относительную. Абсолютная представляет собой отношение кол-ва воды в физ.теле к единице массы его сухой части. Относительную определяют как фактическое содержание влаги в сравнении с тем ее количеством, которое содержится в физ.теле тогда, когда оно находится в термодинамическом равновесии.

Количественно относит.влажность вычисляют по формуле:

где р – давление пара в данный момент времени, р_н.п. – давление насыщенного пара этого же физ.тела.

Внутренняя энергия физического тела

Под внутренней энергией физ.тела понимают сумму потенциальных энергий взаимодействия его частиц (атомов и молекул) и кинетических энергий их хаотического перемещения внутри тела. Величина внутр.энергии зависит от 1) температуры физ.тела, поскольку с температурой связана скорость перемещения частиц и, значит, их кинет.энергии; 2) от объема тела, т.к. объем связан с расстоянием между атомами и молекулами и, следовательно с их потенц.энергиями.

Количество теплоты

Эта физ.величина определяет значение энергии, которую отдает (теряет) либо получает физ.тело при теплопередаче. Передаваемое от одного физ.тела к другому кол-во теплоты может идти на их переход в другое агрегатное состояние (плавление, кристаллизацию, испарение и т.д.), на охлаждение, нагревание, сгорание тел. При этом отдача (утрата) физ.телом теплоты ведет к уменьшению его внутр.энергии, а получение – к ее увеличению.

Единица измерения этой физ.величины – джоули (реже – калории).

Разбор типовых вариантов заданий №9 ОГЭ по физике

Демонстрационный вариант 2018

В калориметр с водой добавили лёд. На рисунке представлены графики зависимости температуры от времени для воды и льда в калориметре. Теплообмен с окружающей средой пренебрежимо мал.

Используя данные графика, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1. Начальная температура воды равна t₁.
2. Участок БВ соответствует процессу кристаллизации воды в калориметре.
3. Точка Б соответствует времени, когда в системе вода-лёд установилось состояние теплового равновесия.
4. К моменту установления теплового равновесия весь лёд в калориметре растаял.
5. Процесс, соответствующий участку АБ, идёт с поглощением энергии.

Алгоритм решения:

2–6. На основании сведений, полученных в п.1, анализируем приведенные утверждения 1–5 и делаем вид относительно их истинности.

Решение:

1. Твердому агрег.состоянию (лед) соответствует нижний график, ограниченный точками Г и В, поскольку . Участок верхнего графика между точками А и Б соответствует воде, т.к. здесь температура больше нуля. В т.Б , что означает начало процесса кристаллизации воды. Процесс кристаллизации продолжается в течение времени, отображенного на участке верхнего графика между точками Б и В, поскольку температура кристаллизации достигнута и на промежутке БВ не меняется. В т.В температура воды и льда совпадают, что указывает на наступление теплового равновесия.
2. Утверждение 1 верно, поскольку верхний график соответствует воде, и т.А, в которой температура равна t₁, является его начальной точкой.
3. Утверждение 2 верно, что полностью разъяснено в п.1.
4. Утверждение 3 не верно, поскольку в т.Б вода и лет имеют разные температуры. Согласно п.1 тепловое равновесие установлено только в т.В.
5. Утверждение 4 неверно, поскольку в калориметре не только не тает лед, но, напротив, начинает замерзать вода.
6. Утверждение 5 неверно, т.к. на промежутке АБ происходит охлаждение воды, а этот процесс сопровождается потерей энергии, т.е. ее отдачей, а не поглощением.

Первый вариант (Камзеева, № 3)

Герметично закупоренная бутыль, частично заполненная водой и находящаяся длительное время при комнатной температуре, была переставлена в холодильник. Как изменятся в холодильнике плотность водяного пара и относительная влажность в бутыли?

Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями.

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Алгоритм решения:

1. Анализируем условие и определяем процессы, происходящие с водой в бутыли при комнатной температуре.
2. Выясняем, что происходит с бутылью с водой при помещении ее в холодильник. Определяем, изменяется ли плотность пара и как именно.
3. Выясняем имеет ли место изменение относит.влажности.

Решение:

1. При длительном нахождении закупоренной бутыли при комнатной темп-ре водяной пар, содержащийся в ней, становится насыщенным. Это означает, что кол-во образующихся в течение произвольной единицы времени молекул водяного пара равно кол-ву конденсирующихся молекул воды за это же время.
2. Когда бутыль помещена в холодильник, то объем, занимаемый водяным паром, не изменится, а его масса уменьшится, поскольку при снижении температуры часть молекул конденсируется. Т.к. масса , то при неизменном объеме ρ прямо пропорционально m и при уменьшении m плотность тоже снизится. Следовательно, в левую колонку итоговой таблицы следует вписать цифру 2:
3. После того, как бутыль простоит в холодильнике некоторое время, произойдет насыщение водяного пара, поскольку с течением времени жидкость в закрытой емкости обязательно приходит в состояние термодинамического равновесия и процессы конденсации и испарения начинают протекать в ней с одинаковой интенсивностью. А это значит, что относит.влажность в бутыли станет равной 100 % и изменяться уже не будет. Следовательно, в правую колонку таблицы необходимо вписать цифру 3:

Второй вариант (Камзеева, № 10)

Жидкий металл, предварительно охлажденный до температуры плавления, начинает кристаллизироваться. Как в процессе кристаллизации меняются температура и внутренняя энергия металла?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

1. увеличивается
2. уменьшается
3. не изменяется

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Источник