Вода замерзает снизу вверх

Почему вода замерзает сверху вниз?

Вода замерзает сверху вниз, что позволяет льду плавать — из-за странной причуды в том, как плотность воды ведет себя при падении температуры. Плотность представляет собой массу единичного объема материального вещества; это по существу мера того, насколько плотно упакованы атомы и молекулы вещества. Для большинства соединений температура падения приводит к тому, что объем соединения уменьшается, а его плотность возрастает, когда атомы и молекулы становятся более плотно упакованными вместе. Например, карман теплого воздуха поднимается и расширяется, потому что он менее плотный, чем крутой воздух вокруг него. И наоборот, карман прохладного воздуха опускается и сжимается, становясь немного толще и плотнее, когда он падает. Вода ведет себя аналогично, но только до определенной температуры. Плотность охлаждающей воды увеличится до тех пор, пока температура воды не достигнет 4 ° C (39,2 ° F). Если вода продолжает охлаждаться, ее плотность снова начнет расти, и вода (теперь в ее твердом состоянии) будет расширяться. Именно это свойство воды позволяет льду вклинивать открытые трещины в тротуарах и скалах и заставляет банки и бутылки безалкогольных напитков взорваться в морозильной камере.

При температуре 4 ° C вода все еще находится в жидкой форме. В озерах и реках эта вода будет охлаждаться на поверхности, плотнее и снижаться. Когда вода приблизится к точке замерзания (0 ° C [32 ° F]), она станет менее плотной, чем окружающая ее вода, и она поднимется до верха водного столба. Если бы вода вместо этого застыла со дна озера или реки на вершину, были бы глубокие экологические последствия. Мелкие озера замерзли; если растения, животные и другие организмы, живущие там, не имеют какой-либо адаптации, которая бы не замерзала их ткани, они умрут. В более крупных озерах пол льда и слякоть охлаждает воду выше, возможно замедляя обмен веществ и темпы роста организмов, которые выжили в верхнем течении озера. В этих условиях Земля выглядела бы совсем иначе; полярные области планеты были бы почти лишены жизни, и каждый год среднесрочные растения, животные и другие организмы столкнулись бы с перспективой недостижимой жидкой воды в замороженных местах обитания.

Источник

IT News

Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm

Почему вода замерзает сверху?

Первым признаком зимы является плавающий на поверхности прудов и озер лед. Это может показаться тривиальным и не очень важным, но если бы вода вела себя аналогично практически всем другим жидкостям, никто бы не смог кататься на коньках на пруду, потому что лед опускался бы на дно сразу же после своего образования. Что еще хуже, Земля в этом случае, по-видимому, была бы безжизненной пустыней, так как большая часть воды лежала бы в виде льда на дне океанов, озер и рек.

Большинство жидкостей сжимаются при охлаждении, уменьшаясь в объеме и увеличивая свою плотность. Например, твердый свечной воск опускается на дно миски с более горячим расплавленным воском. Вода также сжимается, но только до тех пор, пока не достигнет 4°С (39°F). Ниже этой температуры вода начинает расширяться и ее плотность уменьшается. Поэтому лед легче воды, находящейся вблизи точки замерзания, и как результат, он плавает.

Как вода замерзает

Вода в пруду, охлажденная до 4°С (39°F), становится плотнее и опускается на дно. Более теплая и поэтому более легкая вода поднимается к поверхности, охлаждается и также опускается вниз.
Когда последняя порция воды охладится до 4°С (39°F), конвекция, под действием которой холодная вода опускается вниз, а более теплая вода поднимается вверх, прекращается. В этом случае вся вода имеет одинаковую температуру. Плотность воды также одинакова.
Когда вода в поверхностном слое охладится ниже 4°С (39°F), она расширяется и становится менее плотной. Поскольку вода при 3°С (37°F) легче, чем при 4°С (s39°F), более холодная вода остается наверху.
Поверхностный слой воды продолжает охлаждаться с дальнейшим уменьшением плотности. Наконец, при 0°С (32°F) поверхностный слой воды превращается в лед.

Температурное расширение и плотность воды

При температурах выше 4°С (39°F) вода при охлаждении сжимается, достигая своей наибольшей плотности при 4°С. Однако, если охлаждение продолжается и температура падает ниже 4°С, вода начинает расширяться и ее плотность уменьшается. Количественно плотность равна массе единицы объема вещества и обычно измеряется в г/см 3 .

Воск и лед замерзают по-разному

На поверхности кубика льда образуется выпуклость (левый рисунок), потому что вода в центре кубика замерзает последней и, расширяясь по мере замерзания, может только подниматься вверх. В противоположность этому, в верхней части кубика воска образуется углубление, потому что воск (средний рисунок ) сжимается после затвердевания. Жидкости, сжимающиеся при замерзании равномерно (правый рисунок) формируют вогнутую поверхность.

Время года и температура воды в озере

Летом вода теплее у поверхности, чем в глубине. Зимой озеро может покрыться льдом, и вода в глубине станет теплее, чем на поверхности.

Источник

Вода замерзает снизу вверх

Вода в дачных емкостях, в ведрах с водой и проч., оставленная на морозе, замерзает по-разному. Иногда она выдавливает дно, а иногда – просто «вспухает» над поверхностью. В каких случаях и, конечно же, почему случается первый или второй вариант? вода вариант случай поверхность ведро дно мороз емкость

когда вспухает дно,то это от резкого похолодания,вода сверху покрывается льдом и процесс замораживания идет вниз емкости,а когда вспухает,то это когда ведро с горячей водой ставишь на холодную,замерзшую землю,то вода снизу остывает и процесс замораживания начинается со дна емкости и идет на верх

O_o, ну так зависит от места. если ведро стоит всыром месте.. то примерзает к земле. и дно остаётся целым. а если нет то просто лёд расширяется во всех направлениях нужно просто назиму че-то деревянное в ведраж держать. щепку какую нить

во первых вода имеет свойство увеличивать свои объемы при замерзании, это связано с возникающей кристаллической решеткой. если в емкость налить полноре ведро и поставить на мороз то скорее всего что ведро просто разломается

почему — потому что молекулы воды в твердом состоянии имеют большие размеры по спавнению с жидким и поэтому занимают больший объем. а в каком случае как я не знаю

Вода имеет свойство при замерзании расширяться.Прочность ёмкости определяет форму льда.Если есть слабое место,то оно будет разорвано кристализацией воды.

Первый вариант случается во-первых, второй вариант, естественно, во-вторых. ну, а почему? Да потому, что первый это первый, второй это второй.

нет хлор убивает все живое а та что из земли замерзает из за состава воды какая почва если соленая то и замерсзает по другому

не знаю, мне кажется зависит от материала емкости, доступа воздуха к воде, и соответственно насыщенности воды кислородом..

у меня нет дачи)) когда заведу.. специально поставлю ёмкость и заморожу воду.. вот тогда и узнаю ответ на ваш вопрос)))

Я не физик, а филолог, подскажите. Зависит от материала емкости и прочности дна? От быстроты снижения температуры?

о\, у меня нет дачи, но видимо дело в самой емкости (в форме, объеме, плотности) и конечно же в составе самой воды

Источник

Вода ведет себя не так, как другие жидкости, и теперь мы знаем почему

Вселенная прекрасна

Мы редко задумываемся о том, какая вода на самом деле странная. Она ведет себя не так как другие жидкости. Ученые сумели подойти к вопросу нешаблонно и, кажется, наконец разобрались, почему — все дело в необычном порядке молекул.

Одним из самых странных свойств воды является ее нестандартная плотность. Обычно жидкости становятся плотнее при охлаждении, но у воды максимум плотности приходится примерно на 4°C.

Ниже этой точки вода менее плотная, и когда она замерзает и превращается в лед при 0°C, лед в итоге обладает меньшей плотностью, чем вода. Именно поэтому лед не тонет, а вода замерзает сверху вниз.

Но это еще не все. У воды к тому же высокий коэффициент поверхностного натяжения — один из самых высоких показателей среди жидкости, выше только у ртути. Именно это натяжение позволяет разным насекомым, а в частности водяным паукам, бегать по поверхности.

Вдобавок к этому у воды крайне высокая температура кипения, и в ней растворяется просто невероятное количество химических соединений по сравнению с другими жидкостями.

Чтобы разобраться во всех этих необычных свойствах, ученым пришлось опуститься до молекулярного уровня. При комнатной температуре и в твердом состоянии у воды тетраэдральная структура молекул — каждая молекула связана с четырьмя другими в форме грубой пирамиды.

Исследователи из Бристольского университета и Токийского университета использовали суперкомпьютер и компьютерное моделирование, чтобы внести изменения в эту пирамидальную природу молекул воды.

Произведя эти изменения, им удалось заставить воду вести себя как другие жидкости — к примеру, лед стал плотнее, чем жидкая вода, и поэтому в ней тонул.

По словам команды, это исправило все “странности” воды. Тем самым они доказали, что аномальные свойства воды напрямую связаны с ее необычной молекулярной структурой.

“С помощью этой процедуры мы обнаружили, что именно определенное расположение молекул воды заставляет воду вести себя нестандартно, это тетраэдральное расположение,” — объяснил ведущий автор статьи Джон Руссо .

“Четыре таких тетраэдральных структуры могут самоорганизоваться таким образом, что в центре будет общая на всех молекула воды, и они не будут накладываться друг на друга. Именно смесь этих крайне упорядоченных структур из водных молекул с другими беспорядочными структурами дает воде ее необычные свойства.”

Если бы вода была не такой, жизнь, какой мы ее знаем, не смогла бы существовать. Вода не так уж просто поддается сжатию, а значит ее можно толкать — к примеру, по венам, перенося наши с вами кровяные клетки.

А будучи отличным растворителем, она расщепляет питательные вещества в наших телах, так необходимые нам для функционирования организма. Даже низкая плотность льда помогает жизни — если бы озера замерзали снизу вверх, вся жизнь в них бы погибала.

И та же низкая плотность отвечает за то, что вода расширяется при замерзании — что помогло в формировании нашей планеты. Вода протекала в камни, замерзала, расширялась и разламывала их изнутри.

Вселенная ни раз нас очаровывала, и вода — это еще одно чудо.

Исследование было опубликовано в PNAS . Переведено для Funscience

Источник

Эффект Мпембы. Длиннотекст.

И так, что это и с чем его едят?

Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.

Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.

Будучи учеником Магамбинской средней школы в Танзании Эрасто Мпемба делал практическую работу по поварскому делу. Ему нужно было изготовить самодельное мороженое — вскипятить молоко, растворить в нем сахар, охладить его до комнатной температуры, а затем поставить в холодильник для замерзания. По-видимому, Мпемба не был особо усердным учеником и промедлил с выполнением первой части задания. Опасаясь, что не успеет к концу урока, он поставил в холодильник еще горячее молоко. К его удивлению, оно замерзло даже раньше, чем молоко его товарищей, приготовленное по заданной технологии.

После этого Мпемба экспериментировал не только с молоком, но и с обычной водой. Во всяком случае, уже будучи учеником Мквавской средней школы он задал вопрос профессору Деннису Осборну из университетского колледжа в Дар-Эс-Саламе (приглашенному директором школы прочесть ученикам лекцию по физике) именно по поводу воды: «Если взять два одинаковых контейнера с равными объемами воды так, что в одном из них вода имеет температуру 35°С, а в другом — 100°С, и поставить их в морозилку, то во втором вода замерзнет быстрее. Почему?» Осборн заинтересовался этим вопросом и вскоре в 1969 году они вместе с Мпембой опубликовали результаты своих экспериментов в журнале «Physics Education». С тех пор обнаруженный ими эффект называется эффектом Мпембы.

До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах.

Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.

Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько объяснений эффекта Мпембы:

Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100 С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0 С.

Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, снижается температура из-за того, что уменьшается теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара.

Из-за того, что разница температур между горячей водой и холодным воздухом больше — следовательно теплообмен в этом случае идет интенсивнее и горячая вода быстрее охлаждается.

Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20 С.

Причина этому эффекту в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд.

Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда.

Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается происходит следующее. В этом случае тонкий слой льда будет образовываться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор между водой и холодным воздухом и будет препятствовать дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх.

Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда.

Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.

Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.

Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4 С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее.

В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры.

Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С.

Однако, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.

Растворённые в воде газы

Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.

Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.

Все эти (а также другие) условия изучались во многих экспериментах, но однозначного ответа на вопрос — какие из них обеспечивают стопроцентное воспроизводство эффекта Мпембы — так и не было получено.

Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание.

Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли.

Утверждать пока можно только одно — воспроизводство этого эффекта существенно зависит от условий, в которых проводится эксперимент. Именно потому, что воспроизводится он далеко не всегда.

Источник