Al congelarse, el volumen de agua. Gran enciclopedia del petróleo y el gas.

Capítulo 12 El agua es uno de los componentes clave de la vida humana. El agua es venenosa, el agua es curativa. Mejorar la salud del hogar y del cuerpo humano con la ayuda del agua. Amuletos y talismanes limpiadores con agua El agua es uno de los símbolos universales del universo. Los chinos, por ejemplo, creían

Por qué los padres necesitan el budismo y por qué los budistas deberían convertirse en padres Motivados por el amor y la compasión Para aquellos que aún no han conocido esta verdadera naturaleza, dedico mis acciones al beneficio de los demás: ¡Que todos los seres alcancen la liberación! Me manifesté en la humanidad

El agua y nosotros “¿Qué sentido tiene que te revolques cerca de la orilla e insistas en que no hay perlas en el mar? Hay que nadar lejos de la orilla y bucear profundamente...” Para nadie ya es un secreto que todos los seres vivos comenzaron su desarrollo en un medio acuático y, por tanto, están compuestos casi en un 80% de agua.

El agua es la sustancia más extendida y misteriosa de nuestro planeta. Tiene propiedades simples conocidas desde la antigüedad. Es gracias a estas características que se le llama “base de la vida”. Entonces, ¿cuál es la “maravilla” de estas propiedades? Vamos a resolverlo.

Fluidez. La principal propiedad de todos los líquidos, incluida el agua. Bajo la influencia de fuerzas externas, puede tomar la forma de cualquier recipiente. Y esto asegura su disponibilidad universal. El agua fluye por tuberías y forma lagos, ríos y mares. Y, lo más importante, siempre puedes llevarlo contigo en cualquier embalaje conveniente, desde una botella pequeña hasta un tanque enorme.

Propiedades de temperatura. El agua tibia es más ligera que el agua fría y siempre sube. Por lo tanto, podemos cocinar sopa calentando la sartén solo desde abajo y no por todos lados a la vez. Gracias a este fenómeno, llamado "convección", la mayoría de los habitantes de los cuerpos de agua terrestres viven más cerca de la superficie.

Pero la propiedad térmica más importante del agua es su alta capacidad calorífica, 10 veces mayor que la del hierro. Esto significa que calentarlo requiere una gran cantidad de energía, pero cuando se enfría se libera la misma cantidad de energía. Los sistemas de calefacción de nuestros hogares (y los sistemas de refrigeración utilizados en la industria) se basan en este principio.

Además, los mares y océanos desempeñan el papel de termorreguladores de la Tierra, suavizando los cambios estacionales de temperatura, absorbiendo calor en verano y liberándolo en invierno. Y con la combinación de capacidad calorífica y convección, ¡incluso puedes calentar un continente entero! Estamos hablando de la “batería principal de Europa”, la cálida Corriente del Golfo. Las corrientes gigantes de agua cálida que se mueven a lo largo de la superficie del Atlántico proporcionan una temperatura agradable en su costa, que no es típica de estas latitudes.

Congelación. El punto de congelación del agua es convencionalmente igual a 0 grados, pero en realidad este parámetro depende de varios factores: la presión atmosférica, el recipiente en el que se coloca el agua y la presencia de impurezas en él.

El agua tiene la particularidad de que, a diferencia de otras sustancias, se expande cuando se congela. Dados nuestros duros inviernos, esto quizás pueda considerarse una propiedad negativa. Al congelarse y aumentar de volumen, el agua (o más bien, el hielo) simplemente rompe las tuberías de metal.

Entonces, cuando pasa a estado sólido, el agua aumenta de volumen, pero se vuelve menos densa. Por tanto, el hielo siempre es más ligero que el agua y se sitúa en su superficie. Además, conduce mal el calor: incluso en los inviernos más fríos, la vida permanece en las reservas del planeta. Después de todo, cuanto más grueso sea el “colchón” de hielo, más caliente estará el agua debajo. Además, gracias a esta propiedad, algunos pueblos todavía construyen los llamados "glaciares", sótanos o cuevas revestidas de hielo que no se derrite ni siquiera en verano y permiten almacenar alimentos durante mucho tiempo.

Algunos científicos incluso han propuesto utilizar hielo en la lucha contra el calentamiento global. La esencia de la idea es la siguiente: un barco especial remolca un iceberg a la deriva en algún lugar cerca de la Antártida. Y luego lo arrastra a regiones cálidas donde la gente sufre el calor. El iceberg se derrite, proporcionando frescor a toda la región costera. Esta es la Corriente del Golfo inversa, creada únicamente por el hombre.

Hirviendo. Pasemos del hielo frío al vapor caliente. Todo el mundo sabe que el agua hierve a una temperatura de 100 grados centígrados. Pero esto es sólo en condiciones de composición normal del aire y presión atmosférica. Pero en la cima del Everest, donde la presión es menor y el aire es más fino, ¡la tetera ya hervirá a 68 grados! El agua hirviendo ayuda a matar los microorganismos dañinos. Los alimentos al vapor también son mucho más saludables que los fritos.

Además, el vapor de agua puede considerarse el verdadero motor de la civilización. No han pasado ni cien años desde la era de las máquinas de vapor, y mucha gente todavía se refiere erróneamente a las locomotoras de ferrocarril (que ahora funcionan principalmente con electricidad) como “locomotoras de vapor”.

Por cierto, sobre la electricidad. Sin vapor, seguiría siendo una curiosidad rara y costosa. Después de todo, el principio de funcionamiento de la mayoría de las centrales eléctricas se basa en la rotación del rotor bajo la presión de vapor caliente. Las centrales nucleares modernas se diferencian de las antiguas de carbón o petróleo sólo en el principio de calentar agua. Incluso la energía solar innovadora y segura utiliza vapor: enormes espejos, como una lupa, enfocan los rayos del sol en un tanque de agua, convirtiéndolo en vapor para turbinas eléctricas.

Disolución.¡Otra propiedad importante del agua, sin la cual no sólo la ciencia y la industria, sino también la vida misma serían imposibles! ¿Qué crees que tiene en común el plasma sanguíneo con tu refresco favorito? La respuesta es simple: la soda es una solución acuosa de diversas sales, minerales y gases. El plasma está compuesto en un 90% por agua, además de proteínas y otras sustancias. Y cada célula de un organismo vivo recibe las sustancias que necesita, también en forma de solución acuosa.

El agua es el disolvente natural más simple y seguro, pero al mismo tiempo el más fiable. Casi cualquier sustancia puede quedar "intercalada" entre sus moléculas móviles, desde líquidos hasta metales. Esta maravillosa propiedad fue notada en los albores de la humanidad. Los artistas antiguos disolvían tintes naturales en agua para pintar las paredes de las cuevas. Luego, los alquimistas medievales tomaron el relevo y disolvieron una variedad de sustancias en agua con la esperanza de obtener una "piedra filosofal" que convertiría cualquier material en oro. Y ahora los químicos modernos utilizan con éxito esta propiedad.

Tensión superficial. La mayoría de las personas, cuando oyen hablar de la tensión superficial del agua, sólo recuerdan los insectos zancudos deslizándose por la superficie de un estanque o charco. Mientras tanto, ¡sin esta propiedad del agua es imposible incluso lavarse las manos! Es gracias a esto que se forma la espuma de jabón. Y también es difícil secarse las manos con una toalla sin ella. Después de todo, todos los materiales absorbentes (ya sea una servilleta de papel o un paño de microfibra) tienen poros microscópicos en los que se absorbe la humedad debido a la tensión superficial. Por la misma razón, el agua corre a través de los capilares más finos que penetran en las raíces de las plantas. Y la preparación de mezclas de construcción secas también es posible gracias a la tensión superficial del agua añadida.

Las moléculas de agua se atraen activamente entre sí y, como resultado, su superficie para un volumen determinado tiende a ser mínima. Por eso la forma natural de cualquier líquido es la de una esfera. Esto se puede comprobar fácilmente estando en gravedad cero. Aunque para tal experimento no es necesario volar al espacio, basta con utilizar una jeringa para inyectar un poco de agua en un vaso de aceite vegetal y observar cómo se forma bolas.

¿Se está expandiendo o contrayendo? La respuesta es: con la llegada del invierno, el agua inicia su proceso de expansión. ¿Por qué está pasando esto? Esta propiedad distingue al agua de todos los demás líquidos y gases que, por el contrario, se comprimen cuando se enfrían. ¿A qué se debe este comportamiento de este inusual líquido?

Física 3er grado: ¿el agua se expande o contrae cuando se congela?

La mayoría de las sustancias y materiales aumentan de volumen cuando se calientan y disminuyen de volumen cuando se enfrían. Los gases muestran este efecto de forma más notable, pero varios líquidos y metales sólidos presentan las mismas propiedades.

Uno de los ejemplos más sorprendentes de expansión y contracción de un gas es el aire en un globo. Cuando sacamos un globo al aire libre en un clima bajo cero, el globo inmediatamente disminuye de tamaño. Si llevamos una pelota a una habitación con calefacción, inmediatamente aumenta. Pero si llevamos el globo a la casa de baños, explotará.

Las moléculas de agua requieren más espacio.

La razón por la que se producen estos procesos de expansión y contracción de diversas sustancias son las moléculas. Las que reciben más energía (esto ocurre en una habitación cálida) se mueven mucho más rápido que las moléculas en una habitación fría. Las partículas que tienen más energía chocan mucho más activamente y necesitan más espacio para moverse; Para contener la presión ejercida por las moléculas, el material comienza a aumentar de tamaño. Además, esto sucede con bastante rapidez. Entonces, ¿el agua se expande o contrae cuando se congela? ¿Por qué está pasando esto?

El agua no obedece estas reglas. Si empezamos a enfriar el agua a cuatro grados centígrados, se reduce su volumen. Pero si la temperatura continúa bajando, ¡el agua de repente comienza a expandirse! Existe una propiedad llamada anomalía en la densidad del agua. Esta propiedad se produce a una temperatura de cuatro grados centígrados.

Ahora que hemos establecido si el agua se expande o contrae cuando se congela, averigüemos en primer lugar cómo ocurre esta anomalía. La razón está en las partículas que lo componen. La molécula de agua se crea a partir de dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Todo el mundo conoce la fórmula del agua desde la escuela primaria. Los átomos de esta molécula atraen electrones de diferentes maneras. El hidrógeno crea un centro de gravedad positivo, mientras que el oxígeno, por el contrario, crea un centro de gravedad negativo. Cuando las moléculas de agua chocan entre sí, los átomos de hidrógeno de una molécula se transfieren al átomo de oxígeno de una molécula completamente diferente. Este fenómeno se llama enlace de hidrógeno.

El agua necesita más espacio cuando se enfría.

En el momento en que comienza el proceso de formación de enlaces de hidrógeno, comienzan a aparecer lugares en el agua donde las moléculas están en el mismo orden que en un cristal de hielo. Estos espacios en blanco se llaman grupos. No son duraderos, como en un cristal de agua sólido. A medida que aumenta la temperatura, colapsan y cambian de ubicación.

Durante el proceso, la cantidad de cúmulos en el líquido comienza a aumentar rápidamente. Requieren más espacio para extenderse, por lo que el agua aumenta de tamaño al alcanzar su densidad anómala.

Cuando el termómetro cae por debajo de cero, los cúmulos comienzan a convertirse en pequeños cristales de hielo. Empiezan a levantarse. Como resultado de todo esto, el agua se convierte en hielo. Esta es una habilidad muy inusual del agua. Este fenómeno es necesario para una gran cantidad de procesos en la naturaleza. Todos lo sabemos, y si no lo sabemos, recordamos que la densidad del hielo es ligeramente menor que la densidad del agua fría o fría. Gracias a esto, el hielo flota en la superficie del agua. Todos los cuerpos de agua comienzan a congelarse de arriba a abajo, lo que permite a los habitantes acuáticos del fondo existir tranquilamente y no congelarse. Ahora sabemos en detalle si el agua se expande o se contrae cuando se congela.

El agua caliente se congela más rápido que el agua fría. Si cogemos dos vasos iguales y echamos en uno agua caliente y en el otro la misma cantidad de agua fría, notaremos que el agua caliente se congelará más rápido que el agua fría. Esto no es lógico, ¿estás de acuerdo? El agua caliente necesita enfriarse antes de comenzar a congelarse, pero no es necesario que el agua fría. ¿Cómo explicar este hecho? Los científicos hasta el día de hoy no pueden explicar este misterio. Este fenómeno se llama "efecto Mpemba". Fue descubierto en 1963 por un científico de Tanzania en unas circunstancias inusuales. Un estudiante quería hacerse helado y notó que el agua caliente se congela más rápido. Se lo contó a su profesor de física, quien al principio no le creyó.

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La expansión del agua durante la congelación es una de las razones de otro fenómeno importante en la vida de la Tierra: la destrucción de las rocas. Durante las heladas, la capa superior se congela primero; en este caso, las capas más profundas quedarán bloqueadas. Cuando estas capas comiencen a congelarse, al aumentar de volumen, expandirán la grieta.  

La expansión del agua durante la congelación se debe al hecho de que con una disposición irregular (o con una disposición regular solo en áreas estrechas), las moléculas de agua ocupan menos volumen que con una orientación completamente regular en el caso de la formación de una estructura de tridimita. Debido a la expansión del agua al congelarse (según el principio de Le Chatelier), el punto de congelación disminuye al aumentar la presión. Sin embargo, si después de la congelación la presión supera un cierto valor, se forman otras modificaciones del hielo, que son más densas de lo habitual, incluso más densas que el agua líquida. Por lo tanto, el efecto de estallido del agua encerrada en recipientes de hierro o acumulada en las grietas de las rocas no se produce si el agua ya se encuentra bajo una presión muy alta antes de congelarse.  

La expansión del agua durante su maduración es bastante significativa y se tiene en cuenta durante el funcionamiento de las calderas de vapor: el encendido de las calderas comienza en el nivel más bajo de agua en los dispositivos dosificadores de agua, con TBMI, de modo que cuando la presión del vapor en Si la caldera alcanza el nivel de funcionamiento, este nivel, aumentando por la expansión del agua, alcanzaría su posición normal.  

La expansión del agua cuando se calienta difiere de la expansión de otros líquidos, cuyo volumen aumenta gradualmente al aumentar la temperatura. Si la presión atmosférica es normal, entonces el agua ocupa el volumen más pequeño a 4 C. A medida que la temperatura desciende a O C (punto de congelación), el volumen de agua aumenta. En la Fig. La Figura 9.4 muestra un gráfico del volumen de agua dependiendo de la temperatura solo hasta 14 C, pero ya está claro que la curva aumenta más pronunciadamente hasta el punto de ebullición.  

La expansión del agua durante la congelación también explica el hecho de que el hielo flota sobre el agua y no cae al fondo.  

Debido a la expansión del agua al congelarse en la caja 2 y la imposibilidad de su salida a los canales congelados 8 en la caja, se genera una presión significativa que, actuando sobre el pistón 3, lo mueve hacia la camisa de agua, exprime la tapa. 4 y abre el orificio cerrado por esta tapa, lo que provoca que salga agua de la camisa de agua.  

Debido a la expansión del agua al congelarse (según el principio de Le Chatelier), el punto de congelación disminuye al aumentar la presión. Sin embargo, si después de la congelación la presión supera un cierto valor, se forman otras modificaciones del hielo, que son más densas de lo habitual, incluso más densas que el agua líquida. Por tanto, el efecto desgarrador que tiene el agua en los vasos de hierro o la formación de grietas en las piedras al congelarse no se produce si el agua ya se encuentra bajo una presión muy alta antes de congelarse.  

Debido a la expansión del agua al congelarse (según el principio de Le Chatelier), el punto de congelación disminuye al aumentar la presión. Sin embargo, si después de la congelación la presión supera un cierto valor, se forman otras modificaciones del hielo, que son más densas de lo habitual, incluso más densas que el agua líquida. Por tanto, el efecto desgarrador que tiene el agua en los vasos de hierro o la formación de grietas en las piedras al congelarse no se produce si el agua ya se encuentra bajo una presión muy alta antes de congelarse.  

Las características de la expansión del agua son de enorme importancia para el clima de la Tierra. La mayor parte (79%) de la superficie de la Tierra está cubierta de agua. Los rayos del sol, que caen sobre la superficie del agua, se reflejan parcialmente en ella, penetran parcialmente en el agua y la calientan. Si la temperatura del agua es baja, entonces las capas calentadas (por ejemplo, a 2 C) son más densas que las frías (por ejemplo, a 1 C) y, por lo tanto, se hunden. Su lugar lo ocupan capas frías, que a su vez se calientan. Así, se produce un cambio continuo de capas de agua, lo que contribuye al calentamiento uniforme de toda la columna de agua hasta alcanzar la temperatura correspondiente a la densidad máxima. Con un mayor calentamiento, las capas superiores se vuelven cada vez menos densas y, por lo tanto, permanecen en la parte superior.  

Las características de la expansión del agua son de enorme importancia para el clima de la Tierra. La mayor parte (79%) de la superficie de la Tierra está cubierta de agua. Los rayos del sol, que caen sobre la superficie del agua, se reflejan parcialmente en ella, penetran parcialmente en el agua y la calientan. Si la temperatura del agua es baja, entonces las capas calentadas (por ejemplo, a 2°C) son más densas que las capas frías (por ejemplo, a 1°C) y, por tanto, se hunden. Su lugar lo ocupan capas frías, que a su vez se calientan. Así, se produce un cambio continuo de capas de agua, lo que contribuye al calentamiento uniforme de toda la columna de agua hasta alcanzar la temperatura correspondiente a la densidad máxima. Con un mayor calentamiento, las capas superiores se vuelven cada vez menos densas y, por lo tanto, permanecen en la parte superior.  

Densidad

La densidad del hielo puro ρ h a una temperatura de 0 °C y una presión de 1 atm (1,01105 Pa) es igual a 916,8 kg/m 3. A medida que aumenta la presión, la densidad del hielo aumenta ligeramente. Así, en la base de la capa de hielo de la Antártida, en los lugares de mayor espesor, que alcanza los 4200 m, la densidad del hielo puede alcanzar los 920 kg/m3. La densidad del hielo también aumenta al disminuir la temperatura (aproximadamente 1,5 kg/m 3 cuando la temperatura disminuye 10 °C).

Deformación térmica

Al disminuir la temperatura, las dimensiones lineales y el volumen de las muestras y masas de hielo disminuyen, y al aumentar la temperatura se observa el proceso opuesto: la expansión térmica del hielo. El coeficiente de expansión lineal del hielo depende de la temperatura y aumenta a medida que aumenta. En el rango de temperatura de -20 a 0 °C, el coeficiente de expansión lineal es en promedio de 5,5-10~5. y el coeficiente de expansión volumétrica, respectivamente, es de 16,5-10"5 por 1 °C. En el rango de -40 a -20 °C, el coeficiente de expansión lineal disminuye a 3,6-10"5 por 1 °C.

Calor de fusión y sublimación.

La cantidad de calor necesaria para derretir una unidad de masa de hielo sin cambiar su temperatura se denomina calor específico de fusión del hielo. El agua congelada libera la misma cantidad de calor. A 0 °C y presión atmosférica normal, el calor específico de fusión del hielo es L pl = 333,6 kJ/kg.

El calor latente de evaporación del agua, dependiendo de su temperatura, es igual a
L isp = 2500 - 246 kJ/kg,
donde 6 es la temperatura del hielo en °C.

Calor específico de sublimación del hielo., es decir. la cantidad de calor necesaria para la transición directa de hielo fresco a vapor a temperatura constante es igual a la suma del calor necesario para derretir el hielo L y evaporar el agua L eva:
L sub =L sub +L uso

El calor específico de sublimación es casi independiente de la temperatura del hielo que se evapora (a 0 °C L sublime = 2834 kJ/kg, a -10 °C - 2836, a -20 °C - 2837 kJ/kg). Cuando el vapor se sublima, se libera una cantidad similar de calor.

Capacidad calorífica

La cantidad de calor necesaria para calentar una unidad de masa de hielo en 1 °C a presión constante se denomina capacidad calorífica específica del hielo. La capacidad calorífica del hielo fresco C l disminuye al disminuir la temperatura:
Cl = 2,12 + 0,00786 kJ/kg.

Relación

El hielo tiene la propiedad de reabsorción (congelación), que se caracteriza porque cuando dos trozos de hielo entran en contacto y se comprimen, se congelan juntos. Bajo la influencia de presiones locales elevadas en los contactos, puede producirse un cierto derretimiento del hielo. El agua resultante se exprime hacia lugares donde la presión es menor y allí se congela. La congelación de las superficies de hielo puede ocurrir sin presión y sin la participación de la fase líquida.

Gracias a las propiedades de resorción, las grietas en las capas y macizos de hielo pueden "curarse" y el hielo agrietado puede convertirse en hielo monolítico. Esto es muy importante cuando se utiliza hielo como material de construcción para la construcción de estructuras de ingeniería (almacenes de hielo, núcleos impermeables de estructuras hidráulicas, etc.).

metamorfismo

El metamorfismo del hielo es un cambio en su estructura y textura bajo la influencia de procesos moleculares y termodinámicos. Estos procesos se manifiestan más plenamente en la formación de hielo metamórfico, cuando con el tiempo se forma un agregado continuo e impenetrable de cristales de hielo a partir de una acumulación inicial de partículas de nieve que apenas se tocan entre sí. En este caso, se producen desplazamientos relativos de cristales, cambios superficiales en su forma y tamaño, deformación y crecimiento de algunos cristales a expensas de otros.

En el hielo cristalino, el metamorfismo se produce predominantemente en forma de recristalización colectiva con un aumento del tamaño medio de los cristales y una disminución de su número por unidad de volumen. A medida que aumenta el tamaño del cristal, la intensidad de la recristalización disminuye.

Propiedades ópticas

El hielo es un cristal uniaxial, ópticamente positivo, birrefringente y con el índice de refracción más bajo de cualquier mineral conocido. Como resultado de la birrefringencia, el flujo de luz en el cristal está polarizado. Esto permite determinar la posición de los ejes del cristal mediante Polaroid.

Cuando la luz atraviesa hielo policristalino, se observa un debilitamiento del flujo debido a la absorción y dispersión, mientras que la energía luminosa se convierte en calor, provocando calentamiento radiativo y derretimiento del hielo. La luz dispersada se propaga en el hielo en todas direcciones, incluida la salida a través de la superficie irradiada. Debido a la dispersión de la luz, el hielo se ve azul e incluso esmeralda, y si hay una cantidad significativa de inclusiones de aire en el hielo, se vuelve blanco.

La relación entre la cantidad de energía de radiación reflejada desde la superficie del hielo y dispersada a través de la superficie y la energía total de la luz que llega a la superficie se llama albedo del hielo. El valor del albedo depende del estado de la superficie del hielo: para hielo limpio y frío, el valor del albedo es de aproximadamente 0,4, y cuando se derrite y se contamina la superficie, disminuye a 0,3-0,2. Cuando se deposita nieve sobre la superficie del hielo, el albedo aumenta significativamente. El albedo de la nieve varía desde 0,95 para la nieve seca recién caída en las regiones polares y montañosas hasta 0,20 para la nieve húmeda y contaminada.

Voitkovsky K.F. Fundamentos de la glaciología. M.: Nauka, 1999, 255 p.