Вода при нуле агрегатное состояние

Состояния воды в природе: условия перехода, необычные факты

Удивительная вода: Freepick

Известные человечеству состояния воды не ограничиваются тремя базовыми вариантами, о которых большинство слышало в школе. Как создать горячий лед или сухую воду? Возможно ли наблюдать воду сразу жидкой, твердой и газообразной? Как на эти и многие другие вопросы отвечает наука?

Три состояния воды в природе

Воду как прозрачную жидкость, у которой отсутствует запах и вкус, знают все. Но только ли такой она бывает? Прежде чем ответить на вопрос о том, каковы возможные агрегатные состояния воды, выясним, что такое агрегатное состояние.

В физике под этим понятием подразумевают состояние вещества, обусловленное определенной температурой и давлением. Науке известно:

• газообразное;
• твердое;
• жидкое состояние вещества.

При этом одно и то же вещество может менять свое состояние в зависимости от условий окружающей среды.

Экология человека: что это такое и что изучает наука

Хорошо известны три агрегатных состояния воды:

1. Твердое состояние воды (лед). В этом состоянии частички воды имеют друг с другом сильную взаимосвязь. Кубик льда хорошо сохраняет форму, он довольно прочный и твердый на ощупь.
2. Жидкое состояние. В нем частицы теряют строгую упорядоченность. Связи между ними разрушаются, а жидкость принимает форму того сосуда, в который она помещена. Однако молекулы все еще располагаются достаточно близко друг к другу.
3. Газообразное состояние воды (пар). В этом состоянии частички максимально беспорядочно двигаются, а расстояния между ними становятся очень большими.

Состояние воды прямо связано с температурой. Эта жидкость обладает уникальным свойством: свое жидкое состояние она сохраняет в широком диапазоне от 0 до 100 °С. В верхней точке начинается закипание с постепенным переходом в газообразную фазу. При снижении температуры ниже 0 °С происходит образование льда.

Интересные факты о воде для школьников

При этом в природе можно часто увидеть, как вода и лед соседствуют друг с другом, а в этом время над ними витает невидимый глазу водяной пар. Благодаря таким удивительным способностям воды происходит ее постоянный круговорот в природе.

Жидкое состояние воды: Freepick

Если рассматривать все три состояния воды, то жидкое остается одним из наиболее важных. Жидкая вода служит универсальным растворителем для множества других веществ, является основным компонентом организма человека и средой для протекания всех химических процессов.

Более того, именно у жидкой воды ученым удалось обнаружить дополнительные состояния — «обычная» и «аномальная» вода. Последняя образуется при температуре –63 °С и может находиться в одном из двух состояний:

Теплопроводность воды и льда и их особенности

• иметь низкую плотность при низком давлении;
• иметь высокую плотность при высоком давлении.

Две эти жидкости заметно различаются по свойствам, а их плотность отличается на 20%, поэтому они не могут смешиваться между собой. Как ученым удалось уловить эти состояния, ведь хорошо известно, что происходит с водой при замерзании: она переходит в твердую фазу — в лед?

Авторам исследования понадобились специальные приборы. С помощью инфракрасного лазера лед нагревали, при этом образовывалась жидкая вода с высокой плотностью, а давление сохраняли повышенным.

За этим процессом вели наблюдение рентгеновским лазером. Было замечено образование пузырьков «аномальной» воды. Появлялись они на крайне маленький промежуток времени: были видны до 3-х микросекунд.

Чем отличается парфюмерная вода от туалетной воды, духов и одеколона

Эти исследования доказали, что ученым еще далеко не все известно о воде, хотя мы и сталкиваемся с ней ежедневно и ежечасно. Ее свойства продолжают изучать и открывать новые грани.

Состояния воды: необычные факты

Твердое состояние воды (лед): Freepick

Ученым оказалось недостаточно трех агрегатных состояний воды, поэтому они изобрели целый ряд необычных вариантов и продолжают работать в этом направлении.

Лед VII (горячий лед)

Для обычного холодного льда используется обозначение «лед Ih». Когда при нормальном давлении снижается температура и вода замерзает, то атомы кислорода в ее молекулах образуют шестигранники.

Если же давление будет возрастать, то можно получить лед VII, атомы которого располагаются в виде куба. Он очень противоречив:

Тест на стихию: какая стихия подходит вам

1. Этот лед горячий, так как формируется в необычных условиях.
2. На Земле он мог бы образоваться глубоко под мантией, в области высокого давления.
3. Но там и температура очень высока, из-за чего вода сразу же испаряется.

Ученым удалось создать такой лед в лаборатории. Кроме того, он был обнаружен в алмазах, которые нашли в недрах нашей планеты.

Сухая вода

Ее получают путем смешивания обычной воды и двуокиси кремния. Несмотря на то что жидкости в ней 25%, она является сухим веществом. Сахарообразные крупинки внутри содержат воду, а сверху покрыты оксидом кремния.

Сухую воду создали в 1968 для нужд косметологии. Затем о ней забыли, а сейчас рассматривают варианты использования для поглощения углекислого газа, чтобы хранить и транспортировать химикаты.

Почему снег белый: пояснения, интересные факты

Сверхзвуковой лед

Этот лед также называют льдом XVIII. Он образуется при очень сильном повышении давления и температурных показателей — до тысяч градусов и миллионов атмосфер. В горячем плотном и черном на виде веществе узнать лед очень трудно.

Получить его экспериментально удалось совсем недавно с применением мощных лазеров, которые создавали ударные волны, мгновенно повышая температуру и давление. При этом происходило разделение атомов водорода и кислорода с параллельным образованием твердых кристаллов.

Сверхкритическая вода

Вода может стать такой из газообразного состояния. Это очень странный пар, который нельзя назвать газом. Образование такой воды происходит при 373 °С и давлении 220 бар. Снова жидкой она уже стать не может. Такая вода способна проходить сквозь твердые вещества, как газы, и быть растворителем подобно жидкости.

Почему дует ветер: пояснение, интересные факты

Аморфный лед

Этот лед получается при мгновенном охлаждении воды, когда молекулы не кристаллизуются, как следует. Получается своеобразное стекло — очень медленно движущаяся жидкость.

На нашей планете аморфный лед встречается редко, а вот на просторах Вселенной вода часто существует в этом состоянии.

Тройная точка воды

В этой точке вещество одновременно существует как твердое, жидкое и газообразное. Такое специфическое равновесие достигается путем сочетания показаний давления и температуры. Для воды они составляют 0,01 °С и 0,0060366 атмосфер.

Эта точка применяется, когда определяется температура по Кельвину, калибруются термометры и определяются тройные точки для других жидкостей. Из тройной точки воду можно перевести в любое из ее возможных агрегатных состояний.

Лимонад: рецепт в домашних условиях

Горящий лед

Это не чистая вода, а сочетание воды и метана, которое способно гореть, словно бумага. Такой лед образуется в результате естественных процессов в океанских глубинах, в зонах вечной мерзлоты, может засорить нефтепровод или газопровод.

При его формировании вначале замораживается метан, который постепенно покрывает настоящий лед. Ученые рассматривают его как чистый и экологичный источник топлива.

Таковы обычные и нестандартные состояния воды. Природа отменно поработала, чтобы создать такое чудо, но и ученые не остались в стороне. Они до сих пор работают над получением воды в уникальных состояниях.

Узнавайте обо всем первыми

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

Источник

Гидрология

Лекция. Химические и физические свойства природных вод

1. 1. ВОДА КАК ВЕЩЕСТВО, ЕЕ МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА И ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ

Вода — это простейшее устойчивое в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом. По своей химической природе—это оксид (окись) водорода Н₂О. В чистом виде вода — вещество бесцветное, не имеющее ни вкуса, ни запаха.

Молекула воды несимметрична: три ядра образуют равнобедренный треугольник с двумя ядрами водорода в основании и ядром кислорода в вершине.

Атом кислорода в молекуле воды присоединяет к себе два элек­трона, отнятых от атомов водорода, и тем самым приобретает от­рицательный заряд.

Оба атома водорода , лишенные электронов, становятся положительно заряженными протонами. Молекула воды поэтому образует электрический диполь.

Полярное строение воды и возникающее в воде электрическое поле обусловливают большую диэлектрическую проницаемость воды— величину, показывающую, во сколько раз силы взаимодей­ствия электрических зарядов уменьшаются в воде по сравнению с силами их взаи­модействия в вакууме. Высокая диэлектрическая проницаемость воды предопределяет большую ее ионизирующую способность, т. е. способность расщеплять молекулы других веществ, что обусловливает сильное растворяющее действие воды.

Переход от полностью упорядоченной рыхлой молекулярной структуры, свойственной льду, к более плотной структуре, свойственной воде в жидком состоянии, не происходит мгновенно в процессе плавления льда, а продолжается и в жидкой воде.

При повышении температуры наряду с упомянутым уплотнением «упа­ковки» молекул происходит и свойственное всем веществам увели­чение объема воды вследствие роста интенсивности теплового дви­жения молекул. В диапазоне повышения температуры от 0 до 4 °С преобладает процесс уплотнения воды, при тем­пературе выше 4°С — тепловое расширение , поэтому вода обладает «аномальным» свойством — наибольшей плотностью не при температуре плавления, а при 4°С.

Водород и кислород имеют несколько природных изотопов:

1 Н — «обычный» водород),

2 Н — «тяжелый» водород, или дейте­рий),

3 Н — радиоактивный «сверхтяжелый» водород, или три­тий).

16 О, 17 О, 18 О. Поэтому и сама вода имеет переменный изотопный состав.

Природная вода — это смесь вод разного изотопногосостава.

Наиболее распространена вода, состоящая из изотопов 1 Н и 16 О – «обычная» вода, доля других изотопных видов воды ничтожна — менее 0,27 %. Приведенные в дальнейшем сведения относятся только к «обычной» воде.

Одна из главных причин, приводящих к различию изотопного состава природных вод,— процесс испарения.

В результате испарения происходит некоторое обогащение воды более тяжелыми изотопами, а в результате конденсации — более легкими.

Поэтому поверхност­ные воды, формирующиеся атмосферными осадками, содержат «тяжелого» водорода ( 3 Н) и «тяжелого» кислорода ( 18 О) меньше, чем океанические воды.

Воду с изотопным составом ‘Н₂ 16 О называют «обычной» водой и обозначают просто Н₂О, остальные виды воды (кроме 3 Н₂О) на­зывают «тяжелой» водой. Иногда «тяжелой» водой считают лишь дейтериевую воду 2 Н₂О (или О₂О). Вода с изотопным составом 3 Н₂О (или Т₂О) — так называемая «сверхтяжелая» вода. Ее на Земле находится всего 13—20 кг.

Источник

В каком состоянии находится вода при температуре 0

21 марта 2015 · 108,8 K

Действительно принято упрощённо считать, что 0℃ это температура замерзания воды или таяния льда. (Более того, сама шкала Цельсия была основана на паре 0℃ и 100℃ — замерзание и кипение воды при нормальных условиях). Логично, что возникает вопрос, а в каком именно состоянии будет находится вода непосредственно при нуле.

Если мы говорим о реальном мире, то достичь точной температуры “0℃” практически невозможно. Это всегда будет либо -0℃ (условно «чуть ниже нуля») или +0℃ («чуть выше нуля»). Соответственно, либо вода будет замерзать и превращаться в лёд, либо лёд будет таять. В среднем, за счёт примесей и неоднородностей, мы можем иметь смесь из воды с включение небольших кусков льда, либо влажный, подтаивающий кусок льда.

Но физика тем и замечательна, что любит оперировать моделями. Если предположить, что мы можем установить и каким-то образом поддерживать температуру точно 0℃. В этом состоянии оба агрегатных состояния — вода и лёд — равновероятны. Это значит, что если у нас есть кусок чистого льда, то он не будет таять, а чистая, без включений вода останется водой. В рамках такой модели нет условий для фазового перехода — таяния или замерзания. Если, к примеру, в этой модели начать каким-то образом отводить тепло от воды, она начнёт замерзать. К слову, её температура так и не опустится ниже 0℃, пока она вся не превратится в лёд. Повторюсь, это всё условно, но так проще понять процессы, которые в этом случае происходят.

IT, телеком, телефония, базы данных, интеграционные решения, естествознание…

Прежде всего давайте условимся, что вода у нас чистая, чего в химическом абсолютном смысле никогда не бывает, и давление у нас равно нормальному атмосферному, чего тоже не бывает, потому что даже в одном отдельно взятом стакане давление на поверхности и на дне разное. Но тем не менее мы так условимся. Ок? 🙂
При 0°С вода и тает и замерзает. Чтобы… Читать далее

Почему тройная? Что за третье состояние?

software engineer at IDAGIO

Однозначно ответить на этот вопрос нельзя. Дело в том, что агрегатное состояние воды зависит от количества ее теплоты, измеряемого в джоулях. На примере: есть у вас некий объем льда. Окружающая температура равна нулям градусам по Цельсию (допустим, вода у нас без примесей и атмосферное давление соответствует нормальным условиям), но лед все равно не… Читать далее

Скучный дед, на последней ступеньке между мудростью и маразмом.
Я предупредил.

Занимательный вопрос. Как уже было сказано, физики обожают работать с моделями. (Но,но! С идеальными моделями физических процессов!).
Берем натерпевшегося уже выше крыши бедолагу – Кота Шредингера, и смотрим, утонет он или замерзнет. Сам Кот, естественно, на опыт повлиять не в состоянии.
И в нелюбви к животным обвинять не надо. Что бы там ни говори… Читать далее

Для того чтобы расплавить лед необходимо его нагреть. Удельная теплота плавления льда – 335 кдж на кг. Т.е. чтобы растопить один килограмм льда надо приложить 335 000 джоулей. И наоборот, чтобы заморозить один литр воды эти 335000 джоулей надо из воды забрать. Так что при 0 градусов лед может плавиться а может и вода замерзать. Надо только понять… Читать далее

Есть хороший эксперимент: продержав бутылку 0.5 с питьевой или дистилированной водой в морозилке при – 18С примерно полтора часа, вода все еще будет в жидком состоянии, но стоит ударить по ней, как она тут же превратится в кусок льда.

Хоспидя! Это же в школе изучается. Если лёд и воду поместить в помещение с 0 градусов, то их состояние не изменится. Для того, чтобы изменить агрегатное состояние вещества, надо либо истратить энергию, либо наоборот. Лет 30 назад мне об этом учителя говорили. Это же элементарные вещи.

Вы какую то глупость сказали

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.

Рассмотрим виды агрегатного состояние воды: лед, водяной пар, вода и плазма. В связи с этим, различают воду по следующим состояниям:

• твёрдое состояние — лёд;
• жидкое состояние — вода;
• газообразное — водяной пар;
• плазма.

ТВЕРДОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ

В таком виде вода, в данном случае лед, сохраняет свою форму и объем. Под воздействием температуры вода начинает менять состояние и превращаться в лед, т.е. замерзать. Различают два вида твердого состояния воды — это аморфное и кристаллическое. При аморфном состоянии атомы вещества хаотичны, а при кристаллическом — наоборот упорядочены.

ЖИДКОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ

В этом состоянии у вещества неизменен его объем, но его форма меняется, т.е. лед превратился в воду, растекся, изменив форму, но объем остался неизменным. Жидкое состояние вещества подразделяют на 2 вида — состояние смеси (молоко, суспензия, кровь) и чистая вода. Кстати жидкости могут быть использованы в качестве растворителей, но тут существует до сих пор “зависшая” проблема-это произвольные изменения в скорости прохождения химическим реакций в водных растворах. Склоняются к тому, что вода различной структуры имеет различные как физические, так и биологические свойства, и определенными опытами это доказано.
В итоге структурные связи – это одна из причин аномальных свойств воды.
Таким образом, вода и лёд – самые удивительные минералы на Земле.

В газообразном состоянии не сохраняется ни форма, ни объем. Еще это называют водяным паром. Он не имеет цвета, ничем не пахнет и безвкусен. Пар для глаз невидим, он в воздухе растворен, но его представить как конденсат, который появляется когда кипит вода в кастрюле, как туман, или как испарение при дыхании на холодном воздухе. Его концентрация растворимости зависит от таких показателей — давление, температура. Также он подразделяется на два агрегатных состояния — туман и пар, их показателем предельной концентрации является точка росы и насыщенный пар.

Плазма – это непривычный для нас газ — ионизированный, состояние воды, выявленное недавно. Как известно, что при нагревании вода превращается в пар/газ, а если продолжать и дальше повышать температуру полученного газа, то на выходе мы имеем плазму. Плазму можно наблюдать невооруженным глазом — это Солнце, вспышки молнии.

КАК МЕНЯЮТСЯ СОСТОЯНИЯ ВОДЫ

Под действием температуры и определенных внешних воздействий вода меняет свое состояние, происходит фазовый переход воды из одного состояния в другое. К фазовым переходам воды относятся такие процессы, как:

• Лёд-вода, иначе процесс плавления, при котором происходит переход вещества из твердого состояния в жидкое.
  Чтобы понять, почему вода меняет свое состояние, нужно знать, что материя состоит из атомов, они в свою очередь группируются в молекулы. А молекулы постоянно движутся. Вот как раз эта энергия движения — кинетическая энергия, и задает состояние вещества. При постоянной температуре не происходит изменение объема и формы у твердых веществ, так как у них мало кинетической энергии. У жидких — объем прежний, но меняется форма, так как им хватает энергии для преодоления силы взаимного притяжения, что дает возможность им перемещаться. А вот у газа нет постоянной формы и объема, так как у его молекул очень много кинетической энергии и они абсолютно свободны в своих передвижениях.
• Вода-лед, это процесс замерзания (кристаллизации) — жидкое вещество переходит в твердое. Рассмотрим процесс кристаллизации, он возможен, когда понижается температура. Когда молекулы теряют свое теплоту, то становятся менее подвижны, так как им не хватает энергии. Например, мы контейнер с водой поставили в морозильную камеру холодильника, и вода превратится в лед. Обратный процесс, нагревание льда приводит к таянию и смене состояния на жидкое. Если мы продолжим нагревать жидкость, то она при достижении точки кипения начнется превращаться в пар.
• Вода-пар (газо/парообразование), пар-вода (конденсация). По мере того, как происходит увеличения температуры воды, ускоряется испарение, и как вода достигнет температуры 100*С, она начинает закипать, в таком состоянии она больше не может принимать энергию не изменив свое состояние, в итоге происходит испарение. Кипение — это интенсивный процесс перехода воды в пар, а конденсация это процесс обратный. При конденсации же, процесс происходит наоборот, выделяется небольшое количество тепла в окружающую среду, и ее температура немного повышается.
• Лед-пар (минуя состояние воды), такой процесс получил название сублимация примером сублимации может послужить эксперимент с мокрой рубашкой, вывешенной на мороз — лед исчезнет с рубахи, превратившись в пар.
• Пар — лед, в итоге мы имеем десублимацию. При этом процессе выделяется энергия. Примером может послужить морозный узор на стеклах.
• Газ-плазма. Для этого необходимо ионизировать газ. Степень ионизации зависит от количества атомов и от температуры.

Статью проверил и отредактировал Papa Vlada.

Первоисточник статьи опубликован на сайте про воду.

Источник