При замерзании объем воды увеличивается или уменьшается

При замерзании объем воды увеличивается или уменьшается

Вода – одно из самых необходимых веществ на нашей планете. Она имеет массу свойств, которые делают её, в какой-то степени уникальной. Одно из самых известных свойств, о котором знает даже маленький ребёнок, это замерзание воды. Известно, что 0 градусов Цельсия температура кристаллизации воды. Но не всё так просто. Некоторые тонкости этого процесса рассмотрим дальше.

Как замерзает вода

Кристаллизация воды – сам по себе очень интересный и многогранный процесс. Давайте разберемся, как это происходит. Как известно вода состоит из молекул, которые немного связаны между собой и стремятся к воссоединению. Всё довольно просо, при высоких температурах начинается отдаление молекул, а при низких температурах сближение. Под влиянием низких температур их движение замедляется и они, соединяясь, образовывают кристаллическую структуру. Кристаллизация, или же замерзание это превращение воды в лёд, переход в твёрдое состояние.

Температура замерзания воды

Процесс замерзания происходит при охлаждении её до ноля градусов по шкале Цельсия. Это касается не всей воды. Молекулы присоединяются к примесям, которыми являются частички пыли, соли и т.д. Поэтому чистая либо же дистиллированная вода, без присутствия этих самых примесей под воздействием низких температур по столбику Цельсия, дольше, чем обычная может оставаться в жидком состоянии.

Так же интересно, что при том, как другие вещества при замерзании уменьшаются в объеме, вода наоборот увеличивается. Все потому, что при переходе в твёрдое состояние, расстояние между молекулами расширяется. При том,что объём увеличивается, масса при замерзании не увеличивается, и весит столько же, сколько тёплая вода.

Многие задаются вопросом, почему вода не замерзает под толстым слоем льда. Любой физик ответит, что под слоем льда, вода не замерзает,так как поверхность льда служит теплоизолятором.

Отчего горячая вода замерзает быстрее холодной

Известен такой факт, что горячая или тёплая вода замерзает быстрее холодной воды. Невероятно, но факт. Это открытие сделал Эрасто Мпемба. Он проводил эксперименты с использованием мороженой массы,причём обнаружил, что если масса тёплая, то она быстрее замёрзнет. Причиной этого, как показали исследования, является высокая теплоотдача горячей и тёплой воды.

Взаимосвязаны ли температура замерзания воды и высота

Как известно, на высоте происходит изменение давления,поэтому температура перехода в твёрдое состояние всех водных растворов на высоте отличается от температуры на обычной поверхности.

Примеры изменения температурных показателей на высоте:

  • высота 500 м – температура замерзания воды, является не ноль °C, как при обычных условиях, а при наличии уже одного °C;
  • высота 1500 м – кристаллизация происходит при наличии около трёх° C и т.д.

Как давление влияет на процесс кристаллизации воды

Если разобраться о взаимосвязи давления и кристаллизации воды, то всё довольно просто.

Интересно! Чем выше давление, тем скорость преобразования воды в кристаллы льда ниже, а температура кипения выше!

Читайте также:  Как добавить в черный список на lenovo

Вот и весь секрет, а если логически подумать, то при понижении давления, все показатели идут в обратные стороны. Поэтому в горах сложно что — то сварить, так как температура, при которой кипит вода, не доходит до ста градусов Цельсия. И наоборот лёд плавится даже при низких температурах.

Температура кристаллизации водных растворов

Вода служит хорошим растворителем и поэтому легко соединяется с другими веществами. Полученные растворы, конечно же, будут замерзать при разных условиях. Рассмотрим пару вариантов температурных критериев для замерзания разных растворов на основе воды.

Вода и спирт. При большом количестве спирта в воде,процесс замерзания начнётся при наличии очень низких температур. К примеру, при соотношении 60% воды на 40% спирта, кристаллизация начнётся при наличии минус 22,5°C.

Вода и соль. Температура, при которой произойдёт замерзание напрямую связано со степенью солёности воды. Принцип таков, чем больше соли в воде, тем ниже температура кристаллизации. С показателями содержания соли напрямую связано как замерзает морская вода.

Вода и сода. Температура кристаллизации раствора 44 процентов, составляет плюс 7°C.

Вода и глицерин, при соотношении 80% на 20%, где 80 – это глицерин, а 20 – это вода, для замерзания раствора нужно наличие — 20°C.

Все температурные значения колеблются в зависимости от степени концентрации чужеродных растворов или иного вещества в воде.

От лопнувших в морозильнике бутылок до ущерба, причинённого морозом городской инфраструктуре:

когда вода замерзает, ей нужно больше места, чем в жидком состоянии.

Этим вода отличается от большинства сжимающихся при охлаждении жидкостей и газов. Но почему она ведёт себя так необычно?

Большинство веществ расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. У газов этот эффект проявляется особенно заметно. Таким же образом ведут себя жидкости и твёрдые тела. Хороший пример – воздух в воздушном шаре: в холодную погоду шар съёживается, а рядом с радиатором отопления может даже лопнуть.

Молекулам нужно место

Причиной этой закономерности являются молекулы: чем теплее предмет или газ, то есть чем больше энергии получают молекулы, тем быстрее они двигаются. Поэтому молекулы сталкиваются чаще и сильнее, им необходимо больше места, и давление, которое молекулы газа оказывают на оболочку воздушного шара, растёт. Чтобы выдержать давление, нужен бо́льший объём. Поэтому материал расширяется.

Но вода ведёт себя иначе. При охлаждении до приблизительно 4 градусов Цельсия объём воды уменьшается, что вполне ожидаемо. Однако, если температура продолжает падать, то вода начинается расширяться. То есть её плотность достигает максимального значения при 4 градусах. Это свойство называется аномалией плотности воды.

Но откуда она берётся? Всё дело в молекулах: одна молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода – отсюда следует известная химическая формула Н2О. Однако эти атомы притягивают электроны в молекуле воды с разной силой.

Читайте также:  Настройка mikrotik с нуля для начинающих

Это создаёт слегка положительный центр тяжести заряда у водорода и отрицательный у кислорода. Когда молекулы воды сталкиваются, атомы водорода одной молекулы притягиваются и присоединяются к атомам кислорода другой молекулы — образуется так называемая водородная связь.

Когда вода охлаждается, нужно ещё больше места

Из-за формирования водородных связей в жидкой воде появляются места, где молекулы упорядочены так же, как и в кристаллах льда. Эти так называемые кластеры не так прочны, как в твёрдом кристалле. При более высоких температурах они очень быстро меняются.

Когда вода охлаждается, появляется всё больше и больше таких кластеров. И им нужно всё больше и больше пространства. По этой причине вода начинает расширяться после достижения порогового значения 4 градуса Цельсия. Если температура опускается ниже нуля, то мельчайшие кристаллы льда образуются из кластеров и одерживают верх. И вода замерзает.

Для многих природных процессов эта необычная особенность воды очень важна. Так как плотность льда немного меньше плотности холодной воды, он может плавать на поверхности водоёма. Благодаря этому вода замерзает сверху вниз, а внизу располагается 4-градусный слой воды с максимальной плотностью. Это позволяет рыбе и другим водным обитателям пережить зиму на дне водоёма и не замёрзнуть.

Сжатие воды при замерзании

Считаю теорию о том, что вода при замерзании расширяется неправильной. При замерзании вода сжимается. Пример: возьмем сосуд (флягу), полностью заполним его водой и поставим в холод. Как мы знаем, металл при низких температурах имеет свойство сжиматься. Металл, из которого состоит наш сосуд (фляга) сжимается и в результате этого сжимается та вода, которая находится внутри. Надо заметить, что вода замерзает не сразу, т. к. стенки сосуда (фляги) сдерживают этот процесс. Поверхность сосуда, состоящая из металла, поддается замерзанию, прежде всего, сдерживая замерзание воды. Замерзая, стенки сосуда (фляги) сжимаются и давят на воду, которая так же начинает сжиматься, давя в свою очередь на стенки сосуда (фляги). При большем замерзании происходит большее сжатие стенок сосуда (фляги), которые давят и сжимают воду, находящуюся внутри сосуда (фляги). В том месте, где стенки сосуда (фляги) не выдерживают давления воды, появляется вздутие. Это стенки сосуда (фляги), сжимаясь при замерзании, сжимают жидкость (воду), находящуюся внутри, которая к этому времени еще не замерзла. Вода давит с такой силой, что, к примеру, дно у фляги вздувается. И только после окончательного замерзания воды давление на стенки сосуда (фляги) исчезает, т. к. стенки сосуда (фляги) достигли окончательного сжатия.

Читайте также:  Adobe reader and acrobat manager что это

Считаю, что этого объяснения достаточно, чтобы понять, что вода при замерзании сжимается, а не расширяется.

Вода, охлаждаясь, меняет структуру, а не расширяется. Меняется структура, меняется и плотность (уменьшается). В связи с этим, замерзая лед имеет меньшую плотность, поэтому в воде он плавает.

Затем она обретает прежнее состояние. Таково свойство воды.

Во льду происходит нарушение расположения атомов водорода. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решетки. Лед содержит пузырьки газа. Это остатки газа, не успевшего выйти наружу при замерзании воды, т. к. охлаждаясь вода сжимается и выдавливает газ. Не успевшие выйти наружу, пузырьки газа остались при замерзании воды во льду. Таким образом, вода при низкой температуре, сжимаясь, выталкивает газ (невидимый), т. е. молекулы, разрываясь, выделяют газ, уменьшая при этом массу воды. Надо заметить, что во льду кубической модернизации нарушено расположение атомов водорода. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решетки. При низкой температуре атомы молекул, сжимаясь, выталкивают газ. Сжатие начинает происходить при температуре +4˚С и ниже. Вода, сжимаясь при охлаждении, давит на атомы молекул водорода в частности. В результате происходит смещение (нарушение) расположения атомов водорода, что видно во льду. Во льду (лед кубической модификации) видно нарушение расположения атомов водорода, что зафиксировано при замерзании воды при температуре от 0 до -3,5˚С. Водородные связи образуют здесь взаимопроникающие решетки («Лед VII кубическая модификация»).

Во льду видно нарушение расположения атомов водорода, которое произошло в воде при ее охлаждении. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решетки. В связи с нарушением расположения атомов водорода, которое произошло в воде при ее охлаждении (начиная от +4˚С) в этот момент из воды уходит газ (невидимый). В результате масса воды уменьшается в связи с уменьшением массы молекул. Имея меньшую массу в таком состоянии вода замерзает (превращается в лед), следовательно масса воды при охлаждении от +4˚С до 0˚С уменьшается. Вода при охлаждении (замерзании) не поднимается, а остается на том же уровне, теряя при этом свою массу. Следовательно, объем воды при охлаждении не увеличивается, т. к. смещение атомов водорода уменьшает количество газа, а значит, уменьшается масса воды.

Mq – масса улетучившегося газа (невидимого)

Sв – плотность воды

Sл – плотность льда

S’в – плотность воды, температура которой от +4˚С до 0˚С

S”л – плотность льда при замерзании воды, имеющей плотность при температуре +4˚С до 0˚С

Vл = (Mв – Mq) : (Sл + S”л)

Следовательно Vв = Vл.

Это значит, что вода при охлаждении не расширяется, т. е. не увеличивается.

Теория выведена Дроздовым Владимиром Васильевичем в 1985 г.

Отправлена для публикации в Интернет 8 января 2011 г.

Ссылка на основную публикацию
Прерывается соединение с сервером
У некоторых игроков иногда возникают проблемы с соединением в сражениях, но при этом скорость интернет-провайдера не нарушена. Проблема зачастую решается...
Почему не работает видео на планшете
Достаточно распространенная проблема пользователей планшетов и телефонов на Google Android — невозможность просмотра видео онлайн, а также загруженных на телефон...
Почему не работает звук на телевизоре самсунг
Последние вопросы Рома Телевизоры Samsung LE40D550K1WXRU пропал звук на телевизоре Samsung LE40D550K1WXRU. смотрел в настройках результатов не дало Проверьте настройки:...
Префиксная и постфиксная форма записи примеры
Префиксы «пре», «пост» и «ин» относятся к относительной позиции оператора по отношению к операндам. В префиксной записи операция предшествует операндам,...
Adblock detector