Pri zmrzovanju prostornina vode. Velika enciklopedija nafte in plina

12. poglavje Voda je ena ključnih sestavin človekovega življenja. Voda je strupena, voda je zdravilna. Izboljšanje zdravja doma in človeškega telesa s pomočjo vode. Čiščenje amuletov in talismanov z vodo Voda je eden od univerzalnih simbolov vesolja. Kitajci so na primer verjeli

Zakaj starši potrebujejo budizem in zakaj bi budisti morali postati starši. Motiviran z ljubeznijo in sočutjem. Za tiste, ki še niso spoznali te prave narave, posvečam svoja dejanja v dobro drugih: Naj vsa bitja dosežejo osvoboditev! Manifestiral sem se v človeštvu

Voda in mi »Kaj je smisel, da se valjaš ob obali in vztrajaš, da v morju ni biserov? Treba je odplavati stran od obale in se potopiti globoko ...« Nikomur ni več skrivnost, da so se vsa živa bitja začela razvijati v vodnem okolju in so torej sestavljena iz skoraj 80 % vode.

Voda je najbolj razširjena in najbolj skrivnostna snov na našem planetu. Ima preproste lastnosti, znane že od antičnih časov. Zahvaljujoč tem lastnostim se imenuje "osnova življenja". V čem je torej »čudovitost« teh lastnosti? Ugotovimo.

Pretočnost. Glavna lastnost vseh tekočin, vključno z vodo. Pod vplivom zunanjih sil lahko prevzame obliko katere koli posode. In to zagotavlja njegovo univerzalno dostopnost. Voda teče po vodovodih in tvori jezera, reke in morja. In kar je najpomembneje, vedno ga lahko vzamete s seboj v kateri koli priročni embalaži - od majhne stekleničke do ogromnega rezervoarja.

Temperaturne lastnosti. Topla voda je lažja od hladne vode in se vedno dvigne. Zato lahko juho skuhamo tako, da ponev segrejemo le od spodaj, in ne z vseh strani hkrati. Zahvaljujoč temu pojavu, imenovanemu "konvekcija", večina prebivalcev zemeljskih vodnih teles živi bližje površini.

Najpomembnejša temperaturna lastnost vode pa je njena visoka toplotna zmogljivost - 10-krat večja kot pri železu. To pomeni, da je za ogrevanje potrebno veliko energije, pri ohlajanju pa se sprosti prav toliko energije. Ogrevalni sistemi v naših domovih – in hladilni sistemi, ki se uporabljajo v industriji – temeljijo na tem principu.

Poleg tega imajo morja in oceani vlogo zemeljskega termoregulatorja, saj ublažijo sezonske temperaturne spremembe, absorbirajo toploto poleti in jo oddajajo pozimi. S kombinacijo toplotne kapacitete in konvekcije pa lahko ogrejete celo celino! Govorimo o »glavni bateriji Evrope«, toplem zalivskem toku. Velikanski tokovi tople vode, ki se gibljejo po površini Atlantika, zagotavljajo udobno temperaturo na njegovi obali, kar ni značilno za te zemljepisne širine.

Zamrzovanje. Zmrziščna točka vode je običajno enaka 0 stopinj, v resnici pa je ta parameter odvisen od številnih dejavnikov: atmosferskega tlaka, posode, v kateri je voda, in prisotnosti nečistoč v njej.

Voda je edinstvena v tem, da se za razliko od drugih snovi pri zmrzovanju razširi. Glede na naše ostre zime bi to morda lahko imenovali negativna lastnost. Zmrzovanje in povečanje prostornine voda (ali bolje rečeno led) preprosto raztrga kovinske cevi.

Torej, ko se voda spremeni v trdno stanje, se volumen poveča, vendar postane manj gosta. Zato je led vedno lažji od vode in se nahaja na njeni površini. Poleg tega slabo prenaša toploto: tudi v najhladnejši zimi življenje ostane v rezervoarjih planeta. Konec koncev, debelejša kot je ledena "blazina", toplejša je voda pod njo. Tudi zaradi te lastnosti nekatera ljudstva še vedno gradijo tako imenovane "ledenike" - kleti ali jame, obložene z ledom, ki se ne topi niti poleti in omogoča dolgotrajno shranjevanje hrane.

Nekateri znanstveniki so celo predlagali uporabo ledu v boju proti globalnemu segrevanju. Bistvo ideje je naslednje: posebna ladja vzame za seboj ledeno goro, ki pluje nekje blizu Antarktike. In potem ga vleče v tople kraje, kjer ljudje trpijo zaradi vročine. Ledena gora se topi in daje hlad celotnemu obalnemu območju. To je obratni zalivski tok, ki ga je ustvaril samo človek.

Vreti. Preidimo iz mrzlega ledu v vročo paro. Vsi vedo, da voda zavre pri temperaturi 100 stopinj Celzija. Toda to je le v pogojih normalne sestave zraka in atmosferskega tlaka. Toda na vrhu Everesta, kjer je tlak nižji in zrak redkejši, bo vaš kotliček zavrel že pri 68 stopinjah! Vrela voda pomaga uničiti škodljive mikroorganizme. Hrana, kuhana na pari, je tudi veliko bolj zdrava kot ocvrta hrana.

Poleg tega lahko vodno paro imenujemo pravi motor civilizacije. Niti sto let ni minilo od obdobja parnih strojev, mnogi pa železniške lokomotive (ki sedaj delujejo predvsem na elektriko) še vedno napačno imenujejo »parne lokomotive«.

Mimogrede, o elektriki. Brez pare bi še vedno ostal redka in draga zanimivost. Navsezadnje načelo delovanja večine elektrarn temelji na vrtenju rotorja pod pritiskom vroče pare. Sodobne jedrske elektrarne se od starih premogovnih ali naftnih razlikujejo le po principu ogrevanja vode. Celo inovativna in varna sončna energija uporablja paro: ogromna zrcala kot povečevalno steklo usmerijo sončne žarke v rezervoar z vodo in jo spremenijo v paro za električne turbine.

Razpustitev.Še ena pomembna lastnost vode, brez katere ne bi bila mogoča samo znanost in industrija, ampak tudi življenje samo! Kaj menite, kaj ima krvna plazma skupnega z vašo najljubšo gazirano pijačo? Odgovor je preprost: soda je vodna raztopina različnih soli, mineralov in plinov. Plazma je sestavljena iz 90 % vode, pa tudi beljakovin in drugih snovi. In vsaka celica živega organizma prejme snovi, ki jih potrebuje, tudi v obliki vodne raztopine.

Voda je najenostavnejše, najvarnejše, a kljub temu najbolj zanesljivo naravno topilo. Med svoje mobilne molekule je mogoče "stisniti" skoraj vsako snov - od tekočin do kovin. To čudovito lastnost so opazili že ob zori človeštva. Starodavni umetniki so raztopili naravna barvila v vodi za slikanje na jamskih stenah. Nato so štafeto prevzeli srednjeveški alkimisti, ki so v vodi raztopili različne snovi v upanju, da bodo dobili »filozofski kamen«, ki bo vsak material spremenil v zlato. In zdaj to lastnost uspešno uporabljajo sodobni kemiki.

Površinska napetost. Večina ljudi, ko sliši o površinski napetosti vode, se spomni le žuželk vodnih pevcev, ki drsijo po gladini ribnika ali mlake. Medtem pa si brez te lastnosti vode ni mogoče niti umiti rok! Zahvaljujoč temu nastane milna pena. Poleg tega si je težko obrisati roke z brisačo brez nje. Navsezadnje imajo vsi vpojni materiali (ne glede na papirnate serviete ali krpe iz mikrovlaken) mikroskopske pore, v katere se vpija vlaga zaradi površinske napetosti. Iz istega razloga voda teče skozi najtanjše kapilare, ki prodirajo v korenine rastlin. In priprava suhih gradbenih mešanic je možna tudi zaradi površinske napetosti dodane vode.

Molekule vode se medsebojno aktivno privlačijo, zato se njena površina za dano prostornino nagiba k minimumu. Zato je naravna oblika vsake tekočine krogla. To lahko enostavno preverimo, če smo v ničelni gravitaciji. Čeprav za tak eksperiment ni treba poleteti v vesolje, le z brizgo v kozarec rastlinskega olja vbrizgajte nekaj vode in opazujte, kako se nabira v kroglice.

Ali se širi ali krči? Odgovor je: s prihodom zime se voda začne širiti. Zakaj se to dogaja? Ta lastnost loči vodo od vseh drugih tekočin in plinov, ki se, nasprotno, pri ohlajanju stisnejo. Kaj je razlog za takšno obnašanje te nenavadne tekočine?

Fizika 3. razred: ali se voda pri zmrzovanju širi ali krči?

Večina snovi in ​​materialov se pri segrevanju poveča, pri ohlajanju pa zmanjša. Plini kažejo ta učinek bolj opazno, vendar različne tekočine in trdne kovine kažejo enake lastnosti.

Eden najbolj osupljivih primerov širjenja in krčenja plina je zrak v balonu. Ko nesemo balon ven v vremenu pod ničlo, se balon takoj zmanjša. Če žogo prinesemo v ogrevan prostor, se takoj poveča. Če pa balon prinesemo v kopalnico, bo počil.

Molekule vode potrebujejo več prostora

Razlog, da pride do teh procesov širjenja in krčenja različnih snovi, so molekule. Tiste, ki prejmejo več energije (to se zgodi v toplem prostoru), se gibljejo veliko hitreje kot molekule v hladnem prostoru. Delci, ki imajo več energije, trčijo veliko bolj aktivno in pogosteje potrebujejo več prostora za gibanje. Za zadrževanje pritiska, ki ga povzročajo molekule, se material začne povečevati. Poleg tega se to zgodi precej hitro. Torej, ali se voda razširi ali skrči, ko zmrzne? Zakaj se to dogaja?

Voda ne upošteva teh pravil. Če vodo začnemo ohlajati na štiri stopinje Celzija, potem ta zmanjša svojo prostornino. Če pa temperatura še naprej pada, se voda nenadoma začne širiti! Obstaja taka lastnost kot anomalija v gostoti vode. Ta lastnost se pojavi pri temperaturi štiri stopinje Celzija.

Zdaj, ko smo ugotovili, ali se voda ob zmrzovanju razširi ali skrči, ugotovimo, kako do te anomalije sploh pride. Razlog se skriva v delcih, iz katerih je sestavljen. Molekula vode je sestavljena iz dveh atomov vodika in enega atoma kisika. Vsi poznajo formulo vode že iz osnovne šole. Atomi v tej molekuli privlačijo elektrone na različne načine. Vodik ustvarja pozitivno težišče, medtem ko kisik, nasprotno, ustvarja negativno težišče. Ko molekule vode trčijo med seboj, se atomi vodika ene molekule prenesejo na atom kisika popolnoma druge molekule. Ta pojav imenujemo vodikova vez.

Voda potrebuje več prostora, ko se ohladi

V trenutku, ko se začne proces nastajanja vodikovih vezi, se začnejo v vodi pojavljati mesta, kjer so molekule v enakem vrstnem redu kot v ledenem kristalu. Te praznine imenujemo grozdi. Niso trpežni, kot v trdnem vodnem kristalu. Ko se temperatura dvigne, se zrušijo in spremenijo lokacijo.

Med procesom začne število grozdov v tekočini hitro naraščati. Za širjenje potrebujejo več prostora, zaradi česar se voda, potem ko doseže svojo nenormalno gostoto, poveča.

Ko se termometer spusti pod ničlo, se skupki začnejo spreminjati v drobne ledene kristale. Začnejo se dvigovati. Zaradi vsega tega se voda spremeni v led. To je zelo nenavadna sposobnost vode. Ta pojav je potreben za zelo veliko procesov v naravi. Vsi vemo, in če ne vemo, se spomnimo, da je gostota ledu nekoliko manjša od gostote hladne ali hladne vode. Zahvaljujoč temu led plava na površini vode. Vsa vodna telesa začnejo zamrzniti od vrha do dna, kar omogoča vodnim prebivalcem na dnu, da mirno obstajajo in ne zamrznejo. Tako zdaj natančno vemo, ali se voda pri zmrzovanju razširi ali skrči.

Vroča voda zmrzne hitreje kot hladna voda. Če vzamemo dva enaka kozarca in v enega natočimo vročo vodo, v drugega pa enako količino hladne vode, opazimo, da bo topla voda hitreje zmrznila kot hladna. To ni logično, se strinjate? Vroča voda se mora ohladiti, preden začne zmrzovati, hladni vodi pa ni treba. Kako razložiti to dejstvo? Znanstveniki do danes ne morejo pojasniti te skrivnosti. Ta pojav se imenuje "Mpemba učinek". Leta 1963 ga je odkril znanstvenik iz Tanzanije v nenavadnem spletu okoliščin. Dijak si je želel narediti sladoled in opazil, da topla voda hitreje zmrzne. To je delil s svojim učiteljem fizike, ki mu sprva ni verjel.

stran 1

Širjenje vode med zmrzovanjem je eden od razlogov za še en pomemben pojav v življenju Zemlje - uničenje kamnin. Med zmrzaljo zgornja plast najprej zmrzne; v tem primeru bodo globlje plasti zaklenjene. Ko te plasti začnejo zmrzovati, povečajo prostornino in razširijo razpoko.  

Širjenje vode med zmrzovanjem je posledica dejstva, da pri nepravilni razporeditvi (ali pri pravilni razporeditvi le v ozkih območjih) molekule vode zasedejo manjšo prostornino kot pri povsem pravilni orientaciji v primeru nastanka strukture tridimita. Zaradi raztezanja vode ob zmrzovanju (po Le Chatelierjevem principu) se z naraščanjem tlaka zmrzišče znižuje. Če pa tlak po zmrzovanju preseže določeno vrednost, potem nastanejo druge modifikacije ledu, ki so gostejše kot običajno, celo večinoma gostejše od tekoče vode. Zato se učinek pokanja vode, zaprte v železne posode ali nakopičene v skalnih razpokah, ne pojavi, če je voda že pred zmrzovanjem pod zelo visokim pritiskom.  

Raztezanje vode med njenim zorenjem je precejšnje in se upošteva pri delovanju parnih kotlov: kurjenje kotlov se začne pri najnižjem nivoju vode v vodomerih, s TBMI, tako da do trenutka, ko tlak pare v kotel doseže delovno raven, bi ta raven, ki se povečuje zaradi širjenja vode, dosegla svoj normalni položaj.  

Širjenje vode pri segrevanju se razlikuje od širjenja drugih tekočin, katerih prostornina postopoma narašča z naraščajočo temperaturo. Če je atmosferski tlak normalen, potem voda zavzame najmanjšo prostornino pri 4 C. Ko temperatura pade na O C (ledišče), se prostornina vode poveča. Na sl. Na sliki 9.4 je prikazan graf volumna vode v odvisnosti od temperature le do 14 C, vendar je že jasno, da se krivulja strmeje dviga do vrelišča.  

Širjenje vode med zmrzovanjem pojasnjuje tudi dejstvo, da led plava na vodi in ne pade na dno.  

Zaradi širjenja vode pri zmrzovanju v škatli 2 in nezmožnosti njenega izstopa v zamrznjene kanale 8 v škatli nastane pomemben pritisk, ki deluje na bat 3 in ga premakne proti vodnemu plašču, iztisne pokrov 4 in odpre luknjo, zaprto s tem pokrovom, zaradi česar se voda iz vodnega plašča izlije.  

Zaradi raztezanja vode ob zmrzovanju (po Le Chatelierjevem principu) se z naraščanjem tlaka zmrzišče znižuje. Če pa tlak po zmrzovanju preseže določeno vrednost, potem nastanejo druge modifikacije ledu, ki so gostejše kot običajno, celo večinoma gostejše od tekoče vode. Zato trgajočega učinka, ki ga ima voda v železnih posodah, ali nastanka razpok v kamnih pri zmrzovanju ne pride, če je voda že pred zmrzovanjem pod zelo visokim pritiskom.  

Zaradi raztezanja vode ob zmrzovanju (po Le Chatelierjevem principu) se z naraščanjem tlaka zmrzišče znižuje. Če pa tlak po zmrzovanju preseže določeno vrednost, potem nastanejo druge modifikacije ledu, ki so gostejše kot običajno, celo večinoma gostejše od tekoče vode. Zato trgajočega učinka, ki ga ima voda v železnih posodah, ali nastanka razpok v kamnih pri zmrzovanju ne pride, če je voda že pred zmrzovanjem pod zelo visokim pritiskom.  

Značilnosti širjenja vode so izjemnega pomena za zemeljsko podnebje. Večina (79 %) zemeljske površine je prekrita z vodo. Sončni žarki, ki padajo na vodno površino, se delno odbijajo od nje, delno prodrejo v vodo in jo segrejejo. Če je temperatura vode nizka, so segrete plasti (npr. pri 2 C) gostejše od hladnih (npr. pri 1 C) in zato potonejo. Njihovo mesto prevzamejo hladne plasti, te pa se segrejejo. Tako pride do neprekinjenega spreminjanja plasti vode, kar prispeva k enakomernemu segrevanju celotnega vodnega stolpca, dokler ni dosežena temperatura, ki ustreza največji gostoti. Z nadaljnjim segrevanjem postajajo zgornje plasti vedno manj goste in zato ostanejo na vrhu.  

Značilnosti širjenja vode so izjemnega pomena za zemeljsko podnebje. Večina (79 %) zemeljske površine je prekrita z vodo. Sončni žarki, ki padajo na vodno površino, se delno odbijajo od nje, delno prodrejo v vodo in jo segrejejo. Če je temperatura vode nizka, so segrete plasti (na primer pri 2 °C) gostejše od hladnih (na primer pri 1 °C) in zato potonejo. Njihovo mesto prevzamejo hladne plasti, te pa se segrejejo. Tako pride do neprekinjenega spreminjanja plasti vode, kar prispeva k enakomernemu segrevanju celotnega vodnega stolpca, dokler ni dosežena temperatura, ki ustreza največji gostoti. Z nadaljnjim segrevanjem postajajo zgornje plasti vedno manj goste in zato ostanejo na vrhu.  

Gostota

Gostota čistega ledu ρ h pri temperaturi 0 °C in tlaku 1 atm (1,01105 Pa) je enaka 916,8 kg/m 3. Z naraščanjem tlaka se gostota ledu nekoliko poveča. Tako lahko na dnu antarktične ledene plošče na mestih njegove največje debeline, ki doseže 4200 m, gostota ledu doseže 920 kg / m3. Z nižanjem temperature se poveča tudi gostota ledu (za približno 1,5 kg/m 3 pri znižanju temperature za 10 °C).

Toplotna deformacija

Z nižanjem temperature se linearne dimenzije in prostornina vzorcev in ledenih mas zmanjšujejo, z naraščanjem temperature pa opazimo nasprotni proces - toplotno raztezanje ledu. Koeficient linearne ekspanzije ledu je odvisen od temperature in narašča, ko se dvigne. V temperaturnem območju od -20 do 0 °C je koeficient linearne razteznosti v povprečju 5,5-10~5. in koeficient prostorninskega raztezanja je v skladu s tem 16,5-10"5 na 1 ° C. V območju od -40 do -20 ° C se koeficient linearne razteznosti zmanjša na 3,6-10"5 na 1 ° C.

Toplota fuzije in sublimacija

Količina toplote, ki je potrebna za taljenje enote mase ledu, ne da bi se spremenila njegova temperatura, se imenuje specifična toplota taljenja ledu. Zmrzovanje vode sprosti enako količino toplote. Pri 0 °C in normalnem atmosferskem tlaku je specifična toplota taljenja ledu L pl = 333,6 kJ/kg.

Latentna toplota izhlapevanja vode je glede na njeno temperaturo enaka
L isp = 2500 - 246 kJ/kg,
kjer je 6 temperatura ledu v °C.

Specifična toplota sublimacije ledu, tj. količina toplote, ki je potrebna za neposredni prehod svežega ledu v paro pri stalni temperaturi, je enaka vsoti toplote, potrebne za taljenje ledu L in izhlapevanje vode L eva:
L sub =L sub +L uporaba

Specifična toplota sublimacije je skoraj neodvisna od temperature izhlapevajočega ledu (pri 0 °C L sublim = 2834 kJ/kg, pri -10 °C - 2836, pri -20 °C - 2837 kJ/kg). Ko para sublimira, se sprosti podobna količina toplote.

Toplotna zmogljivost

Količina toplote, ki je potrebna za segrevanje enote mase ledu za 1 °C pri konstantnem tlaku, se imenuje specifična toplotna kapaciteta ledu. Toplotna kapaciteta svežega ledu C l se z nižanjem temperature zmanjšuje:
C l = 2,12 + 0,00786 kJ/kg.

Razmerje

Led ima lastnost resorbcije (zmrzovanja), za katero je značilno, da ko dva kosa ledu prideta v stik in se stisneta, zmrzneta skupaj. Pod vplivom lokalnih povečanih pritiskov na kontaktih lahko pride do določenega taljenja ledu. Nastala voda se iztisne na mesta, kjer je pritisk manjši, in tam zmrzne. Zamrzovanje ledenih površin lahko poteka brez pritiska in brez sodelovanja tekoče faze.

Zahvaljujoč lastnostim resorpcije se lahko razpoke v ledenih ploščah in masivih »zacelijo«, razpokan led pa se lahko spremeni v monoliten led. To je zelo pomembno pri uporabi ledu kot gradbenega materiala za gradnjo inženirskih objektov (skladišča ledu, vodotesna jedra hidravličnih objektov itd.).

Metamorfizem

Metamorfizem ledu je sprememba njegove strukture in teksture pod vplivom molekularnih in termodinamičnih procesov. Ti procesi se najpopolneje manifestirajo pri nastajanju metamorfnega ledu, ko sčasoma nastane neprekinjen, neprebojen agregat ledenih kristalov iz začetne kopice snežnih delcev, ki se komaj dotikajo drug drugega. Pri tem pride do relativnih premikov kristalov, površinskih sprememb njihove oblike in velikosti, deformacije in rasti enih kristalov na račun drugih.

V kristalnem ledu se metamorfizem pojavlja pretežno v obliki skupne rekristalizacije s povečanjem povprečne velikosti kristalov in zmanjšanjem njihovega števila na prostorninsko enoto. Ko se velikost kristala poveča, se intenzivnost rekristalizacije upočasni.

Optične lastnosti

Led je enoosen, optično pozitiven kristal, ki je dvolomen in ima najnižji lomni količnik od vseh znanih mineralov. Zaradi dvolomnosti je svetlobni tok v kristalu polariziran. To omogoča določanje položaja kristalnih osi s pomočjo polaroidov.

Pri prehodu svetlobe skozi polikristalni led opazimo oslabitev toka zaradi absorpcije in sipanja, svetlobna energija pa se pretvori v toplotno energijo, kar povzroči sevalno segrevanje in taljenje ledu. Razpršena svetloba se v ledu širi v vse smeri, vključno z izhodom skozi obsevano površino. Zaradi sipanja svetlobe je led videti moder in celo smaragden, če pa je v ledu večja količina zračnih vključkov, postane bel.

Razmerje med količino energije razpršenega sevanja, ki se odbija od ledene površine in razprši skozi površino, do celotne energije svetlobe, ki prihaja na površino, se imenuje albedo ledu. Vrednost albeda je odvisna od stanja ledene površine - za čist hladen led je vrednost albeda približno 0,4, pri taljenju in kontaminaciji površine pa se zmanjša na 0,3-0,2. Ko se sneg odloži na ledeno površino, se albedo znatno poveča. Albedo snega se giblje od 0,95 za sveže zapadel suh sneg v polarnih in gorskih regijah do 0,20 za moker, onesnažen sneg.

Voitkovsky K.F. Osnove glaciologije. M.: Nauka, 1999, 255 str.