Lineárna expanzia vody pri mrazení. Vlastnosti vody: „Obyčajné zázraky“ v našom živote

Keď voda zamrzne, potrebuje viac miesta, ako keď je tekutá.

To odlišuje vodu od väčšiny kvapalín a plynov, ktoré sa pri ochladzovaní stláčajú. Ale prečo sa správa tak nezvyčajne?

Väčšina látok sa pri zahrievaní rozťahuje a pri ochladzovaní sťahuje. V plynoch je tento efekt obzvlášť viditeľný. Kvapaliny sa správajú rovnakým spôsobom. pevné látky. Dobrý príklad– vzduch v balóne: v chladné počasie guľa sa zmrští a môže dokonca prasknúť vedľa vykurovacieho radiátora.

Molekuly potrebujú priestor

Dôvodom tohto vzoru sú molekuly: čím je predmet alebo plyn teplejší, to znamená, že čím viac energie molekuly prijímajú, tým rýchlejšie sa pohybujú. Preto sa molekuly zrážajú častejšie a silnejšie, potrebujú viac priestoru a zvyšuje sa tlak, ktorý molekuly plynu vyvíjajú na obal balóna. Aby odolal tlaku, je potrebný väčší objem, takže materiál expanduje.

Voda sa však správa inak. Pri ochladení na cca 4 stupne Celzia sa objem vody zmenšuje, s čím treba počítať. Ak však teplota naďalej klesá, voda sa začne rozpínať. To znamená, že jeho hustota dosahuje maximálna hodnota pri 4 stupňoch. Táto vlastnosť sa nazýva anomália hustoty vody.

Ale odkiaľ pochádza? Všetko je to o molekulách: jedna molekula vody sa skladá z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka – teda dobre známe chemický vzorec H2O. Tieto atómy však priťahujú elektróny v molekule vody s rôznou silou.

To vytvára mierne kladné ťažisko pre vodík a záporné ťažisko pre kyslík. Keď sa molekuly vody zrazia, atómy vodíka jednej molekuly sa priťahujú a spájajú sa s atómami kyslíka druhej molekuly – vytvárajú takzvanú vodíkovú väzbu.

Keď sa voda ochladzuje, je potrebný ešte väčší priestor

V dôsledku tvorby vodíkových väzieb v kvapalnej vode existujú miesta, kde sú molekuly usporiadané rovnakým spôsobom ako v kryštáloch ľadu. Tieto takzvané zhluky nie sú také silné ako v pevný kryštál: s viac vysoké teploty veľmi rýchlo sa menia.

Ako sa voda ochladzuje, objavuje sa čoraz viac týchto zhlukov. A potrebujú stále viac priestoru - z tohto dôvodu sa voda po dosiahnutí začne rozširovať hraničná hodnota 4 stupne Celzia. Ak teplota klesne pod nulu, drobné ľadové kryštáliky vytvorené z klastrov prevezmú vládu a voda zamrzne.

Pre veľa prirodzené procesy toto nezvyčajná vlastnosť voda je veľmi dôležitá. Keďže hustota ľadu je nepatrná menšia hustota studená voda môže plávať na hladine nádrže. Voda vďaka tomu zamŕza zhora nadol a na dne je 4-stupňová vrstva vody s maximálnou hustotou. To umožňuje rybám a iným vodným živočíchom prežiť zimu na dne nádrže bez toho, aby zamrzli.

zahriaty plameň a v druhom rovnaké množstvo tepla pochádza z relatívne studeného železa.

Experimenty ukázali, že v oboch prípadoch neexistuje rozdiel, a preto teplo, posudzované vo vzťahu k jeho schopnosti ohrievať telesá a meniť ich skupenstvo, je veličina, ktorá podlieha presnému meraniu a nemôže predstavovať kvalitatívne rozdiely.

K. Maxwell. "Teória tepla" % 1883.

Expanzia vody pri mrazení.

Od 4°C. až k bodu mrazu sa voda ochladzovaním rozťahuje a keď sa zmení na ľad, k jej expanzii dochádza rýchlo a náhle. Ľad, ako viete, pláva na vode, pretože v dôsledku expanzie sa stáva ľahším ako ona.

Sila, s ktorou dochádza k tejto expanzii vody, keď zamrzne, je obrovská. Aby sme získali predstavu o tomto napätí, urobme experiment: voda sa naleje do železnej nádoby, ktorej steny sú hrubé pol palca. Množstvo vody nie je veľké, ale napĺňa nádobu; potom sa pevne uzavrie vekom priskrutkovaným na hrdlo. Berieme ďalšie podobné plavidlo. Obe nádoby ponorte do chladiacej zmesi. Postupne sa ochladzujú, voda v nich dosiahne svoj bod najvyššia hustota, a nepochybne v tejto chvíli úplne nenaplní fľaše, ale zanechá vo vnútri malú prázdnotu. Ale čoskoro sa stláčanie vody zastaví a začne expanzia; prázdnota sa pomaly napĺňa; voda sa postupne sťahuje z tekutom stave h pevný a jeho objem sa zväčšuje a steny železnej nádoby tomuto zväčšeniu objemu odolávajú. Ale ich odpor je bezmocný molekulárne sily: Molekuly sú obri v prestrojení. Je počuť náraz: fľaša praskne kryštalizujúcimi časticami; to isté sa stane s druhou fľašou.

V ďalšom experimente hrubé steny delostreleckej bomby praskli s hlasným výbuchom: bomba bola naplnená vodou, pevne priskrutkovaná a umiestnená do vane s chladiacou zmesou. Pri vykonávaní tohto experimentu musíte vaňu zakryť hrubým plátnom: keď som to neurobil, úlomky bomby boli vyhodené k stropu.

Teraz chápete vplyv mrazu na vodovodné potrubia v domoch. Bežne sa predpokladá, že potrubie praskne, keď sa v potrubí topí ľad *), ale v skutočnosti k tomu dochádza pri mrazení:

*) Kvôli zlý tepelná vodivosť steny A pôda, chladný veľmi pomaly o ide preč cez ich A dosiahne dodávka vody potrubia V domy (najmä V pivnice) s vedieť úctivý meškať je často iba potom Kedy vonku budova mal čas už po mráz poď rozmraziť; V toto, Autor: všetky pravdepodobnosti, A by mal pozri dôvod bežné nogo mylné predstavy ako keby Inštalatérstvo potrubia výbuch nie V mrazenie, A V rozmraziť, tie. nie od zmrazenie voda, A od topenie ľad.- Comp.

Rozširuje sa alebo zmenšuje? Odpoveď znie: s príchodom zimy voda začína proces expanzie. Prečo sa to deje? Táto vlastnosť odlišuje vodu od všetkých ostatných kvapalín a plynov, ktoré sa naopak pri ochladzovaní stláčajú. Aký je dôvod tohto správania tejto nezvyčajnej kvapaliny?

Fyzika 3. ročníka: Zväčšuje sa alebo zmršťuje voda, keď zamrzne?

Väčšina látok a materiálov pri zahrievaní zväčšuje svoj objem a pri ochladzovaní zmenšuje svoj objem. Plyny vykazujú tento efekt výraznejšie, ale rôzne kvapaliny a pevné kovy vykazujú rovnaké vlastnosti.

Jeden z najviac svetlé príklady Expandujúcim a zmršťujúcim sa plynom je vzduch v balóne. Keď vydržíme balón vonku pri mínusovom počasí lopta okamžite zmenšuje veľkosť. Ak loptičku prinesieme do vykúrenej miestnosti, okamžite sa zväčší. Ale ak prinesieme balón do kúpeľov, praskne.

Molekuly vody vyžadujú viac miesta

Dôvodom týchto procesov expanzie a kontrakcie je rôzne látky, sú molekuly. Tie, ktoré dostávajú viac energie (to sa deje v teplej miestnosti), sa pohybujú oveľa rýchlejšie ako molekuly v chladnej miestnosti. Častice, ktoré majú viac energie, sa zrážajú oveľa aktívnejšie a častejšie, potrebujú viac priestoru na pohyb. Aby sa udržal tlak vyvíjaný molekulami, materiál sa začne zväčšovať. Navyše sa to deje pomerne rýchlo. Takže sa voda rozťahuje alebo zmršťuje, keď zamrzne? Prečo sa to deje?

Voda tieto pravidlá nedodržiava. Ak vodu začneme chladiť na štyri stupne Celzia, tak zmenší svoj objem. Ale ak teplota naďalej klesá, voda sa zrazu začne rozširovať! Existuje taká vlastnosť ako anomália v hustote vody. Táto vlastnosť nastáva pri teplote štyroch stupňov Celzia.

Teraz, keď sme zistili, či sa voda pri zamrznutí rozširuje alebo zmršťuje, poďme zistiť, ako sa táto anomália vyskytuje. Dôvod spočíva v časticiach, z ktorých sa skladá. Molekula vody je vytvorená z dvoch atómov vodíka a jedného atómu kyslíka. Odvtedy každý pozná vzorec vody základných tried. Atómy v tejto molekule priťahujú elektróny rôznymi spôsobmi. Vodík vytvára kladné ťažisko, kyslík naopak záporné ťažisko. Keď sa molekuly vody navzájom zrazia, atómy vodíka jednej molekuly sa prenesú na atóm kyslíka úplne inej molekuly. Tento jav sa nazýva vodíková väzba.

Voda potrebuje viac miesta, keď sa ochladí

V momente, keď sa začne proces tvorby vodíkových väzieb, sa vo vode začnú objavovať miesta, kde sú molekuly v rovnakom poradí ako v ľadovom kryštáli. Tieto polotovary sa nazývajú zhluky. Nie sú odolné, ako v pevnom kryštáli vody. Keď teplota stúpa, zrútia sa a zmenia svoje umiestnenie.

Počas procesu sa počet zhlukov v kvapaline začne rýchlo zvyšovať. Vyžadujú väčší priestor na šírenie, v dôsledku čoho sa voda po dosiahnutí svojej anomálnej hustoty zväčšuje.

Keď teplomer klesne pod nulu, zhluky sa začnú meniť na drobné ľadové kryštáliky. Začínajú sa dvíhať. V dôsledku toho všetkého sa voda mení na ľad. Ide o veľmi nezvyčajnú schopnosť vody. Tento jav je nevyhnutný pre veľmi veľká kvantita procesy v prírode. Všetci vieme, a ak nevieme, potom si pamätáme, že hustota ľadu je o niečo menšia ako hustota studenej alebo studenej vody. Vďaka tomu ľad pláva na hladine vody. Všetky vodné plochy začínajú zamŕzať zhora nadol, čo umožňuje vodným obyvateľom na dne pokojne existovať a nezamrznúť. Takže teraz podrobne vieme, či sa voda pri zamrznutí rozširuje alebo sťahuje.

Horúca voda zamrzne rýchlejšie ako studená. Ak vezmeme dva rovnaké poháre a do jedného nalejeme horúcu vodu a do druhého rovnaké množstvo studenej vody, všimneme si to horúca voda zamrzne rýchlejšie ako zima. To nie je logické, súhlasíte? Horúca voda musí vychladnúť skôr, ako začne mrznúť, ale studená voda nemusí. Ako vysvetliť tento fakt? Vedci dodnes nedokážu vysvetliť túto záhadu. Tento jav sa nazýva „Mpembov efekt“. Objavil ho v roku 1963 vedec z Tanzánie za nezvyčajných okolností. Študent si chcel pripraviť zmrzlinu a všimol si, že horúca voda zamrzne rýchlejšie. Podelil sa o to so svojím učiteľom fyziky, ktorý mu najskôr neveril.

Hustota

Hustota čistý ľadρ h pri teplote 0 °C a tlaku 1 atm (1,01105 Pa) sa rovná 916,8 kg/m3. So zvyšujúcim sa tlakom sa hustota ľadu mierne zvyšuje. Na základni antarktického ľadového štítu v miestach jeho najväčšej hrúbky, dosahujúcej 4200 m, môže hustota ľadu dosiahnuť 920 kg/m3. S klesajúcou teplotou rastie aj hustota ľadu (pri poklese teploty o 10 °C asi o 1,5 kg/m 3 ).

Tepelná deformácia

S klesajúcou teplotou sa zmenšujú lineárne rozmery a objem vzoriek a ľadových hmôt a so zvyšujúcou sa teplotou sa pozoruje opačný proces – tepelná rozťažnosť ľadu. Koeficient lineárna expanziaľad závisí od teploty a zvyšuje sa, keď stúpa. V teplotnom rozsahu od -20 do 0 °C je koeficient lineárnej rozťažnosti v priemere 5,5-10~5. a koeficient objemovej rozťažnosti je podľa toho 16,5-10"5 na 1 °C. V rozsahu od -40 do -20 °C koeficient lineárnej rozťažnosti klesá na 3,6-10"5 na 1 °C.

Teplo fúzie a sublimácie

Množstvo tepla potrebného na roztopenie jednotkovej hmotnosti ľadu bez zmeny jeho teploty sa nazýva špecifické teplo topenia ľadu. Mraziaca voda uvoľňuje rovnaké množstvo tepla. Pri 0 °C a normálnom atmosférickom tlaku špecifické teplo topenie ľadu sa rovná Lpl = 333,6 kJ/kg.

Latentné teplo vyparovania vody sa v závislosti od jej teploty rovná
L isp = 2500 - 246 kJ/kg,
kde 6 je teplota ľadu v °C.

Špecifické teplo sublimácie ľadu, t.j. množstvo tepla potrebného na priamy prechod čerstvý ľad v pare pri konštantná teplota, sa rovná súčtu tepla potrebného na roztopenie ľadu L a odparenie vody L použitie:
L sub =L sub +L použitie

Špecifické teplo sublimácie je takmer nezávislé od teploty vyparujúceho sa ľadu (pri 0 °C L sublime = 2834 kJ/kg, pri -10 °C - 2836, pri -20 °C - 2837 kJ/kg). Keď para sublimuje, uvoľňuje sa podobné množstvo tepla.

Tepelná kapacita

Množstvo tepla potrebné na zahriatie jednotkovej hmotnosti ľadu o 1 °C pri konštantný tlak, volal Špecifická tepelná kapacitaľad. Tepelná kapacita čerstvého ľadu C l klesá s klesajúcou teplotou:
Cl = 2,12 + 0,00786 kJ/kg.

Vzťah

Ľad má vlastnosť resorpcie (mrznutia), ktorá sa vyznačuje tým, že keď sa dva kusy ľadu dostanú do kontaktu a stlačia, zmrznú spolu. Pod vplyvom miestnych vysoký krvný tlak Na kontaktoch môže dôjsť k roztopeniu ľadu. Vzniknutá voda sa vytlačí na miesta, kde je nižší tlak a tam zamrzne. Zamrznutie ľadových plôch môže nastať bez tlaku a bez účasti kvapalnej fázy.

Vďaka vlastnostiam resorpcie sa trhliny v ľadových štítoch a masívoch dokážu „zahojiť“ a prasknutý ľad sa môže zmeniť na monolitický ľad. To je veľmi dôležité pri použití ľadu ako stavebného materiálu na stavbu inžinierske stavby(sklady ľadu, vodotesné jadrá hydraulické konštrukcie atď.).

Metamorfizmus

Metamorfóza ľadu je zmena jeho štruktúry a textúry pod vplyvom molekulárnych a termodynamických procesov. Tieto procesy sa najplnšie prejavia pri tvorbe metamorfovaného ľadu, keď sa časom vytvorí súvislý, nepreniknuteľný agregát ľadových kryštálov z počiatočnej akumulácie snehových častíc, ktoré sa sotva navzájom dotýkajú. V tomto prípade dochádza k relatívnym posunom kryštálov, povrchovým zmenám ich tvaru a veľkosti, deformácii a rastu niektorých kryštálov na úkor iných.

IN kryštalický ľad metamorfóza prebieha prevažne vo forme kolektívnej rekryštalizácie so zväčšením priemernej veľkosti kryštálov a znížením ich počtu na jednotku objemu. S rastúcou veľkosťou kryštálov sa intenzita rekryštalizácie spomaľuje.

Optické vlastnosti

Ľad je jednoosý, opticky pozitívny kryštál, ktorý je dvojlomný a má najnižší index lomu zo všetkých známych minerálov. Ako výsledok dvojlom svetelný tok v kryštáli je polarizovaný. To umožňuje určiť polohu kryštálových osí pomocou polaroidov.

Keď svetlo prechádza cez polykryštalický ľad, pozoruje sa oslabenie toku v dôsledku absorpcie a rozptylu, zatiaľ čo svetelná energia sa mení na teplo, čo spôsobuje sálavé zahrievanie a topenie ľadu. Rozptýlené svetlo sa šíri v ľade všetkými smermi, vrátane výstupu cez ožiarený povrch. V dôsledku rozptylu svetla sa ľad javí ako modrý a dokonca smaragdový, a ak je prítomný v ľade významné množstvo vzduchové inklúzie sa stáva bielou.

Pomer množstva energie žiarenia odrazeného od povrchu ľadu a rozptýleného po povrchu k celková energia Množstvo svetla vstupujúceho na povrch sa nazýva albedo ľadu. Hodnota albeda závisí od stavu ľadovej plochy - pre čistý studený ľad je hodnota albeda asi 0,4 a pri topení a znečistení povrchu klesá na 0,3-0,2. Pri ukladaní snehu na ľadovú plochu sa albedo výrazne zvyšuje. Albedo snehová pokrývka sa pohybuje od 0,95 pre čerstvo napadnutý suchý sneh v polárnych a horských oblastiach do 0,20 pre mokrý kontaminovaný sneh.

Voitkovský K.F. Základy glaciológie. M.: Nauka, 1999, 255 s.

Strana 1

Rozpínanie vody pri zamŕzaní je jednou z príčin ďalšieho dôležitého javu v živote Zeme – deštrukcie skaly. Počas mrazov najskôr zamrzne vrchná vrstva; v tomto prípade budú hlbšie vrstvy uzamknuté. Keď tieto vrstvy začnú mrznúť, zväčšujúc svoj objem rozšíria trhlinu.

Rozpínanie vody pri zamŕzaní je spôsobené tým, že pri nepravidelnom usporiadaní (alebo pri pravidelnom usporiadaní len v úzkych oblastiach) molekuly vody zaberajú menší objem ako pri úplne pravidelnej orientácii v prípade tvorby tridymitovej štruktúry. V dôsledku expanzie vody pri zamrznutí (podľa Le Chatelierovho princípu) klesá bod mrazu so zvyšujúcim sa tlakom. Ak však po zmrazení tlak prekročí určitú hodnotu, potom sa tvoria ďalšie modifikácie ľadu, ktoré sú hustejšie ako zvyčajne, dokonca z väčšej časti tesnejšie tekutá voda. Preto k praskaciemu účinku vody uzavretej v železných nádobách alebo hromadiacej sa v skalných puklinách nedochádza, ak je voda už pred zamrznutím pod veľmi vysokým tlakom.

Expanzia vody pri jej zrení je pomerne značná a berie sa do úvahy pri prevádzke parných kotlov: spaľovanie kotlov začína pri najnižšej hladine vody vo vodomerných zariadeniach, s TBMI, takže v čase, keď tlak pary v r. kotol dosiahne prevádzkovú úroveň, táto úroveň, zvyšujúca sa v dôsledku expanzie vody, by dosiahla svoju normálnu polohu.

Rozpínavosť vody pri zahrievaní sa líši od rozpínavosti iných kvapalín, ktorých objem so zvyšujúcou sa teplotou postupne narastá. Ak Atmosférický tlak normálne potom voda zaberá najmenší objem pri 4 C. Keď teplota klesne na 0 C (bod tuhnutia), objem vody sa zväčší. Na obr. Na obrázku 9.4 je znázornený graf objemu vody v závislosti od teploty len do 14 C, no už teraz je zrejmé, že krivka stúpa strmšie k bodu varu.

Rozpínavosť vody pri mrazení vysvetľuje aj fakt, že ľad pláva na vode a nepadá na dno.

V dôsledku expanzie vody pri zmrazovaní v boxe 2 a nemožnosti jej výstupu do mrazených kanálov 8 v boxe vzniká značný tlak, ktorý pôsobením na piest 3 ho posúva smerom k vodnému plášti a vytláča veko. 4 a otvorí otvor uzavretý týmto vekom, čím voda z vodného plášťa vytečie.

V dôsledku expanzie vody pri zamrznutí (podľa Le Chatelierovho princípu) klesá bod mrazu so zvyšujúcim sa tlakom. Ak však po zmrazení tlak prekročí určitú hodnotu, tak vznikajú ďalšie modifikácie ľadu, ktoré sú hustejšie ako obvykle, dokonca z väčšej časti hustejšie ako tekutá voda. Preto nedochádza k trhaciemu účinku, ktorý má voda v železných nádobách, alebo k tvorbe trhlín v kameňoch pri mrazení, ak je voda už pred zamrznutím pod veľmi vysokým tlakom.

V dôsledku expanzie vody pri zamrznutí (podľa Le Chatelierovho princípu) klesá bod mrazu so zvyšujúcim sa tlakom. Ak však po zmrazení tlak prekročí určitú hodnotu, tak vznikajú ďalšie modifikácie ľadu, ktoré sú hustejšie ako obvykle, dokonca z väčšej časti hustejšie ako tekutá voda. Preto nedochádza k trhaciemu účinku, ktorý má voda v železných nádobách, alebo k tvorbe trhlín v kameňoch pri mrazení, ak je voda už pred zamrznutím pod veľmi vysokým tlakom.

Charakteristiky expanzie vody majú obrovský význam pre klímu Zeme. Väčšina z(79 %) povrchu Zeme je pokrytých vodou. slnečné lúče padajúce na hladinu vody, čiastočne sa od nej odrážajú, čiastočne prenikajú do vody a ohrievajú ju. Ak je teplota vody nízka, zahriate vrstvy (napríklad pri 2 C) sú hustejšie ako studené vrstvy (napríklad pri 1 C), a preto klesajú. Ich miesto zaberajú studené vrstvy, ktoré sa naopak zahrievajú. Dochádza tak k kontinuálnej výmene vrstiev vody, čo prispieva k rovnomernému ohrevu celého vodného stĺpca až do dosiahnutia teploty zodpovedajúcej maximálnej hustote. Pri ďalšom zahrievaní sa horné vrstvy stávajú čoraz menej hustými, a preto zostávajú na vrchu.

Charakteristiky expanzie vody majú obrovský význam pre klímu Zeme. Väčšina (79 %) povrchu Zeme je pokrytá vodou. Slnečné lúče, dopadajúce na hladinu vody, sa od nej čiastočne odrážajú, čiastočne prenikajú do vody a ohrievajú ju. Ak je teplota vody nízka, zahriate vrstvy (napríklad pri 2 °C) sú hustejšie ako studené vrstvy (napríklad pri 1 °C), a preto klesajú. Ich miesto zaberajú studené vrstvy, ktoré sa naopak zahrievajú. Dochádza tak k kontinuálnej výmene vrstiev vody, čo prispieva k rovnomernému ohrevu celého vodného stĺpca až do dosiahnutia teploty zodpovedajúcej maximálnej hustote. Pri ďalšom zahrievaní sa horné vrstvy stávajú čoraz menej hustými, a preto zostávajú na vrchu.