Vanduo yra labiausiai paplitusi ir paslaptingiausia medžiaga mūsų planetoje. Jis turi paprastų savybių, žinomų nuo seniausių laikų. Dėl šių savybių jis vadinamas „gyvenimo pagrindu“. Taigi, koks yra šių savybių „nuostabumas“? Išsiaiškinkime.
Skystumas. Pagrindinė visų skysčių, įskaitant vandenį, savybė. Veikiamas išorinių jėgų, jis gali įgauti bet kokio laivo formą. Ir tai užtikrina jo universalų prieinamumą. Vanduo teka vandens vamzdžiais ir sudaro ežerus, upes ir jūras. Ir, svarbiausia, visada galite pasiimti su savimi bet kokioje patogioje pakuotėje – nuo mažo buteliuko iki didžiulio bako.
Temperatūros savybės.Šiltas vanduo yra lengvesnis už šaltą ir visada kyla aukštyn. Todėl sriubą galime virti kaitindami keptuvę tik iš apačios, o ne iš visų pusių iš karto. Dėl šio reiškinio, vadinamo „konvekcija“, dauguma žemės vandens telkinių gyventojų gyvena arčiau paviršiaus.
Tačiau svarbiausia vandens temperatūros savybė yra didelė jo šiluminė talpa – 10 kartų didesnė nei geležies. Tai reiškia, kad jį pašildyti reikia daug energijos, tačiau atvėsus išsiskiria tiek pat energijos. Mūsų namų šildymo sistemos ir pramonėje naudojamos vėsinimo sistemos yra pagrįstos šiuo principu.
Be to, jūros ir vandenynai atlieka Žemės termoreguliatoriaus vaidmenį, sušvelnina sezoninius temperatūros pokyčius, vasarą sugeria šilumą, o žiemą išleidžia. O šiluminės talpos ir konvekcijos deriniu galite šildyti net visą žemyną! Mes kalbame apie „pagrindinę Europos bateriją“, šiltą Golfo srovę. Milžiniški šilto vandens srautai, judantys Atlanto vandenyno paviršiumi, jo pakrantėje užtikrina patogią temperatūrą, kuri nėra būdinga šioms platumoms.
Sušalimas. Vandens užšalimo temperatūra sutartinai yra lygi 0 laipsnių, tačiau iš tikrųjų šis parametras priklauso nuo daugelio veiksnių: atmosferos slėgio, talpyklos, į kurią dedamas vanduo, ir priemaišų buvimo jame.
Vanduo unikalus tuo, kad, skirtingai nei kitos medžiagos, užšaldamas plečiasi. Atsižvelgiant į mūsų atšiaurias žiemas, tai galbūt galima pavadinti neigiama savybe. Užšalęs ir didėjantis tūris, vanduo (tiksliau, ledas) tiesiog suplėšo metalinius vamzdžius.
Taigi, kai jis virsta kieta būsena, vandens tūris padidėja, bet tampa mažiau tankus. Todėl ledas visada yra lengvesnis už vandenį ir yra jo paviršiuje. Be to, jis prastai praleidžia šilumą: net šalčiausią žiemą planetos rezervuaruose išlieka gyvybė. Juk kuo storesnė ledo „pagalvėlė“, tuo po ja vanduo šiltesnis. Taip pat dėl šios savybės kai kurios tautos vis dar stato vadinamuosius „ledynus“ – rūsius ar urvus, išklotus ledu, kuris net vasarą netirpsta ir leidžia itin ilgai laikyti maistą.
Kai kurie mokslininkai netgi pasiūlė panaudoti ledą kovojant su visuotiniu atšilimu. Idėjos esmė tokia: specialus laivas tempia kažkur netoli Antarktidos dreifuojantį ledkalnį. Ir tada jis tempia jį į šiltus kraštus, kur žmonės kenčia nuo karščio. Ledkalnis tirpsta, suteikdamas vėsos visam pakrantės regionui. Tai atvirkštinė Golfo srovė, sukurta tik žmogaus.
Virimas. Nuo šalto ledo pereikime prie karštų garų. Visi žino, kad vanduo užverda 100 laipsnių Celsijaus temperatūroje. Bet tai tik normalios oro sudėties ir atmosferos slėgio sąlygomis. Tačiau Everesto viršūnėje, kur slėgis mažesnis ir oras plonesnis, jūsų virdulys jau užvirs 68 laipsnių temperatūroje! Verdantis vanduo padeda sunaikinti kenksmingus mikroorganizmus. Garuose keptas maistas taip pat yra daug sveikesnis nei keptas maistas.
Be to, vandens garus galima vadinti tikruoju civilizacijos varikliu. Nepraėjo net šimtas metų nuo garo variklių eros, ir daugelis vis dar klaidingai vadina geležinkelio lokomotyvus (kurie dabar daugiausia veikia elektra) kaip „garvežius“.
Beje, apie elektrą. Be garo tai vis tiek liktų retas ir brangus kuriozas. Juk daugumos elektrinių veikimo principas pagrįstas rotoriaus sukimu karšto garo slėgyje. Šiuolaikinės atominės elektrinės nuo senų anglies ar naftos elektrinių skiriasi tik vandens šildymo principu. Netgi naujoviška ir saugi saulės energija naudoja garą: didžiuliai veidrodžiai, tarsi padidinamasis stiklas, nukreipia saulės spindulius į vandens rezervuarą, paversdami jį garais elektros turbinoms.
Ištirpimas. Dar viena svarbi vandens savybė, be kurios būtų neįmanomas ne tik mokslas ir pramonė, bet ir pati gyvybė! Kaip manote, ką kraujo plazma turi bendro su jūsų mėgstama soda? Atsakymas paprastas: soda yra vandeninis įvairių druskų, mineralų ir dujų tirpalas. Plazmą sudaro 90% vandens, taip pat baltymų ir kitų medžiagų. Ir kiekviena gyvo organizmo ląstelė gauna jai reikalingas medžiagas, taip pat vandeninio tirpalo pavidalu.
Vanduo yra paprasčiausias, saugiausias, bet vis dėlto patikimiausias natūralus tirpiklis. Beveik bet kokia medžiaga gali būti „įterpta“ tarp jos mobilių molekulių - nuo skysčių iki metalų. Šis nuostabus turtas buvo pastebėtas žmonijos aušroje. Senovės menininkai ištirpino natūralius dažus vandenyje, kad tapytų ant urvų sienų. Tada viduramžių alchemikai perėmė estafetę, ištirpindami vandenyje įvairias medžiagas, tikėdamiesi gauti „filosofinį akmenį“, kuris bet kokią medžiagą pavers auksu. Ir dabar šią savybę sėkmingai naudoja šiuolaikiniai chemikai.
Paviršiaus įtempimas. Dauguma žmonių, išgirdę apie vandens paviršiaus įtempimą, prisimena tik tvenkinio ar balos paviršiumi sklandančius vandens vabzdžius. Tuo tarpu be šios vandens savybės neįmanoma net rankų nusiplauti! Būtent to dėka susidaro muilo putos. Ir taip pat sunku nusausinti rankas rankšluosčiu be jo. Juk visos sugeriančios medžiagos (nesvarbu, popierinė servetėlė ar mikropluošto šluostė) turi mikroskopines poras, į kurias dėl paviršiaus įtempimo susigeria drėgmė. Dėl tos pačios priežasties vanduo veržiasi per ploniausius kapiliarus, kurie prasiskverbia pro augalų šaknis. O sausų statybinių mišinių paruošimas galimas ir dėl įpilamo vandens paviršiaus įtempimo.
Vandens molekulės aktyviai traukia viena kitą, todėl jo paviršius tam tikram tūriui yra minimalus. Štai kodėl natūrali bet kokio skysčio forma yra rutulys. Tai galima lengvai patikrinti, kai nėra gravitacijos. Nors tokiam eksperimentui nebūtina skristi į kosmosą, užtenka švirkštu įpurkšti vandens į stiklinę augalinio aliejaus ir stebėti, kaip jis susirenka į kamuoliukus.
Tankis
Gryno ledo tankis ρ h esant 0 °C temperatūrai ir 1 atm (1,01105 Pa) slėgiui lygus 916,8 kg/m 3. Didėjant slėgiui, ledo tankis šiek tiek didėja. Taigi Antarkties ledyno papėdėje didžiausio storio vietose, siekiančiose 4200 m, ledo tankis gali siekti 920 kg/m3. Ledo tankis taip pat didėja mažėjant temperatūrai (maždaug 1,5 kg/m 3 temperatūrai nukritus 10 °C).
Šiluminė deformacija
Mažėjant temperatūrai, mėginių ir ledo masių linijiniai matmenys ir tūris mažėja, o kylant temperatūrai stebimas priešingas procesas – ledo šiluminis plėtimasis. Ledo linijinio plėtimosi koeficientas priklauso nuo temperatūros, didėja jai kylant. Temperatūros diapazone nuo -20 iki 0 °C tiesinio plėtimosi koeficientas yra vidutiniškai 5,5-10~5. o tūrio plėtimosi koeficientas atitinkamai yra 16,5-10"5 per 1 °C. Diapazone nuo -40 iki -20 °C tiesinio plėtimosi koeficientas sumažėja iki 3,6-10"5 per 1 °C.
Susiliejimo ir sublimacijos šiluma
Šilumos kiekis, reikalingas ledo masės vienetui ištirpdyti nekeičiant jo temperatūros, vadinamas specifine ledo lydymosi šiluma. Užšaldantis vanduo išskiria tiek pat šilumos. Esant 0 °C ir esant normaliam atmosferos slėgiui, savitoji ledo lydymosi šiluma yra L pl = 333,6 kJ/kg.
Latentinė vandens garavimo šiluma, priklausomai nuo jo temperatūros, yra lygi
L isp = 2500 - 246 kJ/kg,
kur 6 yra ledo temperatūra °C.
Savitoji ledo sublimacijos šiluma, t.y. šilumos kiekis, reikalingas tiesioginiam šviežio ledo perėjimui į garus pastovioje temperatūroje, yra lygus šilumos, reikalingos ledui ištirpdyti L ir išgarinti vandenį L eva, sumai:
L sub = L sub + L naudojimas
Savitoji sublimacijos šiluma beveik nepriklauso nuo garuojančio ledo temperatūros (esant 0 °C L sublimus = 2834 kJ/kg, esant -10 °C - 2836, esant -20 °C - 2837 kJ/kg). Kai garai sublimuojasi, išsiskiria panašus šilumos kiekis.
Šilumos talpa
Šilumos kiekis, reikalingas ledo masės vienetui pašildyti 1 °C esant pastoviam slėgiui, vadinamas savitoji ledo šiluminė talpa. Gaivaus ledo šiluminė talpa C l mažėja mažėjant temperatūrai:
C l = 2,12 + 0,00786 kJ/kg.
Santykis
Ledas turi rezorbcijos (užšalimo) savybę, kuri pasižymi tuo, kad dviem ledo gabalėliams susilietus ir susispaudus jie sušąla kartu. Veikiant vietiniam padidėjusiam slėgiui kontaktuose, gali šiek tiek ištirpti ledas. Gautas vanduo išspaudžiamas į vietas, kur slėgis mažesnis, ir ten užšąla. Ledo paviršių užšalimas gali įvykti be slėgio ir nedalyvaujant skystajai fazei.
Dėl rezorbcijos savybių įtrūkimai ledo lakštuose ir masyvuose gali „užgyti“, o įtrūkęs ledas gali virsti monolitiniu ledu. Tai labai svarbu naudojant ledą kaip statybinę medžiagą inžinerinių statinių statybai (ledo sandėliams, hidrotechninių statinių vandeniui nepralaidžioms šerdims ir kt.).
Metamorfizmas
Ledo metamorfizmas yra jo struktūros ir tekstūros pasikeitimas veikiant molekuliniams ir termodinaminiams procesams. Šie procesai labiausiai pasireiškia formuojantis metamorfiniam ledui, kai iš pradinio sniego dalelių, vos besiliečiančių viena su kita, laikui bėgant susidaro ištisinis, nepralaidus ledo kristalų sankaupa. Tokiu atveju atsiranda santykiniai kristalų poslinkiai, paviršiaus pakitimai jų formoje ir dydžiui, kai kurių kristalų deformacija ir augimas kitų sąskaita.
Kristaliniame lede metamorfizmas dažniausiai vyksta kolektyvinės perkristalizacijos forma, kai padidėja vidutinis kristalų dydis ir sumažėja jų skaičius tūrio vienete. Didėjant kristalų dydžiui, perkristalizacijos intensyvumas lėtėja.
Optinės savybės
Ledas yra vienaašis, optiškai teigiamas kristalas, kuris yra dvipusis ir turi mažiausią lūžio rodiklį iš visų žinomų mineralų. Dėl dvigubo lūžio šviesos srautas kristale yra poliarizuotas. Tai leidžia nustatyti kristalų ašių padėtį naudojant polaroidus.
Kai šviesa praeina per polikristalinį ledą, dėl absorbcijos ir sklaidos pastebimas srauto susilpnėjimas, o šviesos energija paverčiama šilumine energija, dėl kurios ledas įkaista ir tirpsta spinduliuote. Išsklaidyta šviesa lede sklinda visomis kryptimis, įskaitant ir išėjimą pro apšvitintą paviršių. Dėl šviesos sklaidos ledas atrodo mėlynas ir net smaragdinis, o jei lede yra daug oro inkliuzų, jis tampa baltas.
Nuo ledo paviršiaus atsispindinčios ir paviršiuje išsibarsčiusios spinduliuotės energijos kiekio ir visos į paviršių patenkančios šviesos energijos santykis vadinamas ledo albedu. Albedo reikšmė priklauso nuo ledo paviršiaus būklės – švariam šaltam ledui albedo reikšmė yra apie 0,4, o paviršiui tirpstant ir užsiteršus sumažėja iki 0,3-0,2. Kai ant ledo paviršiaus nusėda sniegas, albedas žymiai padidėja. Sniego albedas svyruoja nuo 0,95, kai ką tik iškritęs sausas sniegas poliariniuose ir kalnuotuose regionuose, iki 0,20 šlapio, užteršto sniego atveju.
Voitkovskis K.F. Glaciologijos pagrindai. M.: Nauka, 1999, 255 p.
1 puslapis
| Akmens trūkinėjimas. Per šalną viršuje susidarė ledo kamštis, užstojantis vandenį apatinėje plyšio dalyje. |
Vandens plėtimasis užšalimo metu yra viena iš priežasčių, lemiančių kitą svarbų Žemės gyvenime reiškinį – uolienų naikinimą. Per šalną pirmiausiai užšąla viršutinis sluoksnis; šiuo atveju gilesni sluoksniai bus užrakinti. Kai šie sluoksniai pradeda užšalti, jie, didindami tūrį, išplės įtrūkimą.
Vandens plėtimasis užšalimo metu atsiranda dėl to, kad esant netaisyklingam išsidėstymui (arba taisyklingai išsidėsčius tik siaurose vietose), vandens molekulės užima mažiau tūrio nei visiškai taisyklingos orientacijos atveju, kai susidaro tridimito struktūra. Dėl vandens išsiplėtimo užšalimo metu (pagal Le Chatelier principą) užšalimo temperatūra mažėja didėjant slėgiui. Tačiau jei po užšalimo slėgis viršija tam tikrą vertę, susidaro kitos ledo modifikacijos, kurios yra tankesnės nei įprastai, net didžiąja dalimi tankesnės už skystą vandenį. Todėl plyšimo efektas, kurį sukelia vanduo, uždarytas geležiniuose induose arba besikaupiantis uolienų plyšiuose, nepasireiškia, jei vanduo jau prieš užšaldamas yra labai aukšto slėgio.
Vandens išsiplėtimas jo brendimo metu yra gana reikšmingas ir į jį atsižvelgiama eksploatuojant garo katilus: katilas pradedamas kūrenti nuo žemiausio vandens lygio vandens skaitikliuose su TBMI, kad tuo metu, kai garo slėgis katile pasiekia darbinis lygis, šis lygis, didėjantis dėl vandens plėtimosi, pasiektų įprastą padėtį.
Vandens plėtimasis kaitinant skiriasi nuo kitų skysčių, kurių tūris palaipsniui didėja didėjant temperatūrai, plėtimosi. Jei atmosferos slėgis normalus, tai vanduo mažiausią tūrį užima esant 4 C. Temperatūrai nukritus iki O C (užšalimo taško), vandens tūris didėja. Fig. 9.4 paveiksle parodytas vandens tūrio, priklausančio nuo temperatūros, grafikas tik iki 14 C, tačiau jau dabar aišku, kad kreivė kyla stačiau iki virimo temperatūros.
Vandens plėtimasis užšalimo metu paaiškina ir tai, kad ledas plūduriuoja ant vandens ir nenukrenta į dugną.
Dėl vandens išsiplėtimo, kai užšąla 2 dėžėje ir neįmanoma jo išeiti į užšalusius dėžėje esančius kanalus 8, susidaro didelis slėgis, kuris, veikdamas stūmoklį 3, juda jį link vandens apvalkalo, išspaudžia dangtį. 4 ir atidaro šiuo dangteliu uždarytą angą, todėl iš vandens apvalkalo išsilieja vanduo.
Dėl vandens išsiplėtimo užšalimo metu (pagal Le Chatelier principą) užšalimo temperatūra mažėja didėjant slėgiui. Tačiau jei po užšalimo slėgis viršija tam tikrą vertę, susidaro kitos ledo modifikacijos, kurios yra tankesnės nei įprastai, net didžiąja dalimi tankesnės už skystą vandenį. Todėl plyšimo efektas, kurį vanduo turi geležiniuose induose, arba įtrūkimų susidarymas akmenyse užšalus nepasireiškia, jei prieš užšaldant vanduo jau yra labai aukšto slėgio.
Dėl vandens išsiplėtimo užšalimo metu (pagal Le Chatelier principą) užšalimo temperatūra mažėja didėjant slėgiui. Tačiau jei po užšalimo slėgis viršija tam tikrą vertę, susidaro kitos ledo modifikacijos, kurios yra tankesnės nei įprastai, net didžiąja dalimi tankesnės už skystą vandenį. Todėl plyšimo efektas, kurį vanduo turi geležiniuose induose, arba įtrūkimų susidarymas akmenyse užšalus nepasireiškia, jei prieš užšaldant vanduo jau yra labai aukšto slėgio.
Vandens plėtimosi ypatybės yra labai svarbios Žemės klimatui. Didžioji dalis (79%) Žemės paviršiaus yra padengta vandeniu. Saulės spinduliai, krintantys ant vandens paviršiaus, iš dalies atsispindi nuo jo, iš dalies prasiskverbia į vandenį ir jį įkaitina. Jei vandens temperatūra žema, tai šildomi sluoksniai (pavyzdžiui, esant 2 C) yra tankesni nei šaltieji (pavyzdžiui, esant 1 C), todėl grimzta žemyn. Jų vietą užima šalti sluoksniai, kurie savo ruožtu įkaista. Taigi nuolat keičiasi vandens sluoksniai, kurie prisideda prie tolygaus viso vandens stulpelio kaitinimo, kol pasiekiama maksimalų tankį atitinkanti temperatūra. Toliau kaitinant, viršutiniai sluoksniai tampa vis mažiau tankūs, todėl lieka viršuje.
Vandens plėtimosi ypatybės yra labai svarbios Žemės klimatui. Didžioji dalis (79%) Žemės paviršiaus yra padengta vandeniu. Saulės spinduliai, krintantys ant vandens paviršiaus, iš dalies atsispindi nuo jo, iš dalies prasiskverbia į vandenį ir jį įkaitina. Jei vandens temperatūra žema, tai šildomi sluoksniai (pavyzdžiui, esant 2°C) yra tankesni nei šaltieji (pavyzdžiui, esant 1°C), todėl grimzta žemyn. Jų vietą užima šalti sluoksniai, kurie savo ruožtu įkaista. Taigi nuolat keičiasi vandens sluoksniai, kurie prisideda prie tolygaus viso vandens stulpelio kaitinimo, kol pasiekiama maksimalų tankį atitinkanti temperatūra. Toliau kaitinant, viršutiniai sluoksniai tampa vis mažiau tankūs, todėl lieka viršuje.
Ar jis plečiasi ar traukiasi? Atsakymas yra toks: atėjus žiemai vanduo pradeda plėstis. Kodėl tai vyksta? Ši savybė išskiria vandenį iš visų kitų skysčių ir dujų, kurios, priešingai, vėsdamos susispaudžia. Kokia šio neįprasto skysčio elgesio priežastis?
Fizika 3 klasė: ar užšaldamas vanduo plečiasi ar susitraukia?
Daugumos medžiagų ir medžiagų tūris kaitinant padidėja, o aušinant – sumažėja. Dujos šį poveikį rodo ryškiau, tačiau įvairūs skysčiai ir kietieji metalai pasižymi tokiomis pat savybėmis.
Vienas ryškiausių dujų išsiplėtimo ir susitraukimo pavyzdžių – oras balione. Kai oro balioną išnešame į lauką esant minusiniam orui, baliono dydis iškart sumažėja. Jei įnešame kamuolį į šildomą patalpą, jis iškart padidėja. Bet jei balioną įnešime į pirtį, jis sprogs.
Vandens molekulėms reikia daugiau vietos
Priežastis, kodėl vyksta šie įvairių medžiagų plėtimosi ir susitraukimo procesai, yra molekulės. Tie, kurie gauna daugiau energijos (tai atsitinka šiltoje patalpoje), juda daug greičiau nei molekulės šaltoje patalpoje. Dalelės, turinčios daugiau energijos, susiduria daug aktyviau ir dažniau, kad galėtų judėti. Kad sulaikytų molekulių daromą slėgį, medžiaga pradeda didėti. Be to, tai vyksta gana greitai. Taigi, ar užšalęs vanduo plečiasi ar susitraukia? Kodėl tai vyksta?
Vanduo nepaklūsta šioms taisyklėms. Jei pradedame vėsinti vandenį iki keturių laipsnių Celsijaus, tai sumažina jo tūrį. Bet jei temperatūra ir toliau krenta, tada vanduo staiga pradeda plėstis! Yra tokia savybė kaip vandens tankio anomalija. Ši savybė atsiranda esant keturių laipsnių Celsijaus temperatūrai.
Dabar, kai nustatėme, ar užšaldamas vanduo plečiasi ar susitraukia, išsiaiškinkime, kaip ši anomalija atsiranda. Priežastis slypi dalelėse, iš kurių jis susideda. Vandens molekulė yra sukurta iš dviejų vandenilio atomų ir vieno deguonies atomo. Visi žino vandens formulę nuo pradinės mokyklos laikų. Šios molekulės atomai įvairiais būdais pritraukia elektronus. Vandenilis sukuria teigiamą svorio centrą, o deguonis, priešingai, sukuria neigiamą svorio centrą. Kai vandens molekulės susiduria viena su kita, vienos molekulės vandenilio atomai pereina į visiškai kitos molekulės deguonies atomą. Šis reiškinys vadinamas vandeniliniu ryšiu.
Atvėsus vandeniui reikia daugiau vietos
Tuo metu, kai prasideda vandenilinių jungčių susidarymo procesas, vandenyje pradeda atsirasti vietos, kuriose molekulės yra tokia pat tvarka kaip ir ledo kristale. Šie ruošiniai vadinami klasteriais. Jie nėra patvarūs, kaip kietame vandens kristale. Kylant temperatūrai, jie subyra ir keičia savo vietą.
Proceso metu klasterių skaičius skystyje pradeda sparčiai didėti. Jiems pasklisti reikia daugiau erdvės, todėl pasiekęs nenormalų tankį vanduo didėja.
Kai termometro stulpelis nukrenta žemiau nulio, klasteriai pradeda virsti mažais ledo kristalais. Jie pradeda kilti aukštyn. Dėl viso to vanduo virsta ledu. Tai labai neįprastas vandens gebėjimas. Šis reiškinys reikalingas labai daugybei procesų gamtoje. Mes visi žinome, o jei nežinome, tada prisimename, kad ledo tankis yra šiek tiek mažesnis nei vėsaus ar šalto vandens tankis. Dėl to ledas plūduriuoja vandens paviršiuje. Visi vandens telkiniai pradeda užšalti iš viršaus į apačią, o tai leidžia vandens gyventojams apačioje ramiai egzistuoti ir neužšalti. Taigi dabar mes išsamiai žinome, ar užšaldamas vanduo plečiasi, ar susitraukia.
Karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Jei paimsime dvi vienodas stiklines ir į vieną pilsime karštą, o į kitą tiek pat šalto, pastebėsime, kad karštas vanduo užšals greičiau nei šaltas. Tai nelogiška, ar sutinkate? Karštas vanduo turi atvėsti, kol jis pradeda užšalti, bet šaltas vanduo neturi. Kaip paaiškinti šį faktą? Mokslininkai iki šiol negali paaiškinti šios paslapties. Šis reiškinys vadinamas „Mpemba efektu“. Jį 1963 m. neįprastomis aplinkybėmis atrado mokslininkas iš Tanzanijos. Studentas norėjo pasigaminti ledų ir pastebėjo, kad karštas vanduo užšąla greičiau. Tuo jis pasidalijo su savo fizikos mokytoju, kuris iš pradžių juo netikėjo.
Atrodytų, kas gali būti įprastesnio už ledą? Centrinėje Eurazijoje, kur žiema trunka kelis mėnesius, šiaurėje, kur žiema trunka didžiąją metų dalį, ir pietiniuose kalnuotuose regionuose sniegas ir ledas yra įprasti kraštovaizdžio komponentai.
Tuo tarpu pats ledo susidarymo procesas neįprastas. Pažiūrėkime, pavyzdžiui, kaip keičiasi vandens tūris pereinant iš skystos į kietą būseną, tai yra, kai jis užšąla. Šis pokytis vyksta visiškai kitaip nei kitos mums žinomos medžiagos. Visi jie, išskyrus bismutą ir galą, vėsdami susitraukia ir sumažina savo tūrį. Kietėjimo metu jų tūris gerokai sumažėja, lyginant su ta pačia lydalo mase.
Kai vanduo užšąla, nutinka priešingai – ledo tankis mažėja, o tūris padidėja 10%, lyginant su tūriu, kurį užima ta pati vandens masė.
Šią ledo savybę žmonės žinojo nuo seno. Negalėdami to paaiškinti, jie vis dėlto sėkmingai tuo pasinaudojo. Galingi pastatai Šiaurės Europoje buvo pastatyti iš šimtus kilogramų sveriančių akmeninių monolitų. Tokiems blokams gaminti uolienose buvo išmušami gana negilūs grioveliai arba parinkti tinkami plyšiai. Prieš prasidedant žiemos šalčiams, jie buvo užpildyti vandeniu, o susidaręs ledas veikė kaip sprogmuo. Taip kantriai metai iš metų žmonės traiško stipriausias uolienas ir gaudavo statybines medžiagas naudodamiesi vandens plėtra, kai jis užšalo. Dabar mokslas gali paaiškinti šio reiškinio priežastį. Kaip matyti iš fig. 1.8, tūrio pokytis mažėjant temperatūrai vyksta savotiškai. Iš pradžių vanduo elgiasi kaip ir daugelis kitų skysčių: palaipsniui tankėdamas, mažėja jo tūris. Tai stebima iki 4°C (tiksliau, iki 3,98°C). Esant tokiai temperatūrai tarsi artėja krizė. Tolesnis aušinimas nebemažina, o palaipsniui didina garsumą. Lygumas staigiai nutrūksta esant 0°C, kreivė virsta stačia tiesia linija, o tūris staigiai padidėja beveik 10%. Vanduo virsta ledu.
Akivaizdu, kad esant 3,98°, šiluminiai trukdžiai formuojantis junginiams pradeda tiek silpnėti, kad atsiranda galimybė tam tikram struktūriniam vandens persitvarkymui į ledą primenančius karkasus. Molekulės yra tarpusavyje sutvarkytos, vietomis susidaro ledui būdinga šešiakampė struktūra1.
Šie procesai skystame vandenyje tarsi paruošia visišką struktūrinį persitvarkymą ir 0°C temperatūroje įvyksta: tekantis vanduo virsta ledu – kristaline kieta medžiaga. Kiekviena molekulė turi galimybę prisijungti per vandenilinius ryšius su keturiais
Aš kaimynai. Todėl ledo fazėje vanduo sudaro ažūrinę struktūrą su „kanalais“ tarp fiksuotų vandens molekulių grupių.
Tikriausiai su struktūriniu pertvarkymu siejama dar viena ypatinga vandens savybė – staigus šilumos talpos šuolis pereinant „vanduo-ledo“ fazei. 0°C temperatūros vandens savitoji šiluminė talpa yra 1,009. Tokios pat temperatūros ledu pavirtusio vandens savitoji šiluminė talpa yra perpus mažesnė.
Dėl struktūrinio perėjimo „vanduo – ledas“ ypatumo 3,98...0°C ribose pakankamo gylio natūralūs rezervuarai dažniausiai neužšąla iki dugno. Prasidėjus žiemos šalčiams, viršutiniai vandens sluoksniai, atvėsę iki maždaug +4°C ir pasiekę maksimalų tankį, nugrimzta į rezervuaro dugną. Šie sluoksniai neša deguonį į gelmes ir padeda tolygiai paskirstyti maisto medžiagas. Jų vietoje šiltesnės vandens masės iškyla į paviršių, sutankėja, atvėsta kontaktuodami su paviršiniu oru, o atvėsusios iki +4°C savo ruožtu grimzta gilyn. Maišymas tęsiamas tol, kol baigiasi cirkuliacija ir rezervuaras pasidengia plūduriuojančiu ledo sluoksniu. Ledas patikimai apsaugo gelmes nuo visiško užšalimo – juk jo šilumos laidumas yra daug mažesnis nei vandens.
Kiekvienais metais sveikas gyvenimo būdas tampa vis populiaresnis. Žmonės meta rūkyti, pradeda sportuoti, skaičiuoja kalorijas per dieną suvartotame maiste ir kontroliuoja antsvorį. Yra daugybė sporto šakų...
Plataus formato spausdinimo technologija apima spausdintų gaminių su dideliais parametrais atkartojimą specialiais „plačiais spausdintuvais“ ir braižytuvais. Naudojant tokią galingą modernią įrangą, galima gauti įvairių formatų A1, A2, A3 ir...
Izoliacija yra svarbus bet kokio namo renovacijos procesas. juk nuo to priklausys konkrečios sienos ir viso fasado ilgaamžiškumas. Šiandien gamintojai siūlo daugybę izoliacinių medžiagų - mineralinių ...
