Donma sırasında suyun doğrusal genleşmesi. Suyun özellikleri: Hayatımızdaki “sıradan mucizeler”

Su donduğunda sıvı haline göre daha fazla alana ihtiyaç duyar.

Bu, suyu, soğutulduğunda sıkışan çoğu sıvı ve gazdan ayırır. Ama neden bu kadar sıradışı davranıyor?

Çoğu madde ısıtıldığında genleşir ve soğutulduğunda büzülür. Gazlarda bu etki özellikle belirgindir. Sıvılar da aynı şekilde davranır. katılar. İyi örnek– balonun içindeki hava: içinde soğuk hava top büzülür ve hatta bir ısıtma radyatörünün yanında patlayabilir.

Moleküllerin alana ihtiyacı var

Bu durumun nedeni moleküllerdir: Nesne veya gaz ne kadar sıcaksa, yani moleküller ne kadar fazla enerji alırsa o kadar hızlı hareket ederler. Bu nedenle moleküller daha sık ve daha güçlü çarpışır, daha fazla alana ihtiyaç duyarlar ve gaz moleküllerinin balonun kabuğuna uyguladığı basınç artar. Basınca dayanmak için daha fazla hacme ihtiyaç vardır, dolayısıyla malzeme genişler.

Ancak su farklı davranır. Yaklaşık 4 santigrat dereceye kadar soğutulduğunda suyun hacmi beklendiği gibi azalır. Ancak sıcaklık düşmeye devam ederse su genleşmeye başlar. Yani yoğunluğu maksimum değer 4 derecede. Bu özelliğe su yoğunluğu anomalisi denir.

Peki nereden geliyor? Her şey moleküllerle ilgilidir: Bir su molekülü iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomundan oluşur; dolayısıyla iyi bilinen kimyasal formül H2O. Ancak bu atomlar su molekülündeki farklı kuvvetlerdeki elektronları çekerler.

Bu, hidrojen için hafif pozitif bir ağırlık merkezi ve oksijen için negatif bir ağırlık merkezi oluşturur. Su molekülleri çarpıştığında, bir molekülün hidrojen atomları çekilir ve diğer molekülün oksijen atomlarıyla birleşerek hidrojen bağı adı verilen bir bağ oluşturur.

Su soğudukça daha fazla alana ihtiyaç duyulur

Sıvı suda hidrojen bağlarının oluşması nedeniyle moleküllerin buz kristallerinde olduğu gibi sıralandığı yerler vardır. Bu sözde kümeler eskisi kadar güçlü değil katı kristal: daha fazlası ile yüksek sıcaklıklarçok çabuk değişiyorlar.

Su soğudukça bu kümelerin sayısı giderek artıyor. Ve gittikçe daha fazla alana ihtiyaç duyuyorlar - bu nedenle su ulaştıktan sonra genişlemeye başlıyor eşik değeri 4 santigrat derece. Sıcaklık sıfırın altına düştüğünde kümelerden oluşan minik buz kristalleri devreye giriyor ve su donuyor.

Birçok kişi için doğal süreçler Bu sıradışı özellik su çok önemlidir. Buzun yoğunluğu az olduğundan daha az yoğunluk soğuk su bir rezervuarın yüzeyinde yüzebilir. Bu sayede su yukarıdan aşağıya doğru donar ve altta maksimum yoğunluğa sahip 4 derecelik bir su tabakası bulunur. Bu, balıkların ve diğer su canlılarının kışın rezervuarın dibinde donmadan hayatta kalmasına olanak tanır.

alev ısıtılır ve ikincisinde aynı miktarda ısı nispeten soğuk demirden gelir.

Deneyler, her iki durumda da hiçbir farkın olmadığını, dolayısıyla cisimleri ısıtma ve durumlarını değiştirme yeteneği açısından ele alınan ısının, hassas ölçüme tabi bir nicelik olduğunu ve niteliksel farklılıkları temsil edemediğini göstermiştir.

K.Maxwell. "Isı Teorisi" % 1883.

Donma sırasında suyun genleşmesi.

4°C'den başlıyor. Donma noktasına kadar su soğudukça genleşir, buza dönüştüğünde ise genleşmesi hızlı ve aniden gerçekleşir. Bildiğiniz gibi buz su üzerinde yüzer çünkü genleşme nedeniyle ondan daha hafif hale gelir.

Suyun donma sırasındaki bu genleşmesinin kuvveti çok büyüktür. Bu gerilim hakkında fikir edinmek için bir deney yapalım: Duvarları yarım santim kalınlığında olan demir bir kaba su dökülür. Su miktarı fazla değil ama kabı dolduruyor; Daha sonra boynuna vidalanan bir kapakla sıkıca kapatılır. Benzer bir gemi daha alıyoruz. Her iki kabı da soğutma karışımına batırın. Yavaş yavaş soğurlar, içlerindeki su son noktasına ulaşır en yüksek yoğunluk ve şüphesiz şu anda şişeleri tamamen doldurmuyor, içeride küçük bir boşluk bırakıyor. Ancak çok geçmeden suyun sıkışması durur ve genişleme başlar; boşluk yavaş yavaş doluyor; su yavaş yavaş hareket ediyor sıvı hal H katıdır ve hacmi artar ve demir kabın duvarları bu hacim artışına direnir. Ama onların direnişi karşısında güçsüzdür moleküler kuvvetler: Moleküller kılık değiştirmiş devlerdir. Bir çarpma sesi duyulur: şişe kristalleşen parçacıklarla patlar; aynı şey diğer şişede de oluyor.

Başka bir deneyde, bir topçu bombasının kalın duvarları yüksek bir patlamayla patladı: Bomba suyla dolduruldu, sıkıca vidalandı ve soğutma karışımıyla dolu bir küvete yerleştirildi. Bu deneyi yaparken küvetin üzerini kalın bir branda ile örtmeniz gerekiyor; bunu yapmadığım zaman bomba parçaları tavana fırladı.

Artık donun evlerdeki su boruları üzerindeki etkisini anlıyorsunuz. Genellikle boru patlamasının borulardaki buzun erimesiyle meydana geldiği düşünülür *), ancak aslında donma sırasında meydana gelir:

*) Dolayı kötü termal iletkenlik duvarlar Ve toprak, soğuk çok yavaşça hakkında uzaklaşır başından sonuna kadar onlara Ve ulaşır su temini borular V evler (özellikle V bodrumlar) İle Bilmek saygılı geç kalmak çoğu zaman sadece Daha sonra, Ne zaman dıştan binalar zamanım vardı çoktan sonrasında don Hadi çözülme; V Bu, İle Tümü olasılıklar, Ve yapmalı Görmek sebep yaygın hayır yanılgılar güya sıhhi tesisat borular patlamak Olumsuz V donmak, A V çözülme, onlar. Olumsuz itibaren donmak su, A itibaren erime buz.- Komp.

Genişliyor mu, daralıyor mu? Cevap şu: Kışın gelmesiyle birlikte su genişleme sürecine başlar. Bu neden oluyor? Bu özelliği, suyu diğer tüm sıvılardan ve gazlardan ayırır; aksine soğutulduğunda sıkışır. Bu olağandışı sıvının bu davranışının nedeni nedir?

Fizik 3. sınıf: Su donunca genişler mi, daralır mı?

Çoğu madde ve malzemenin ısıtıldığında hacmi artar, soğutulduğunda hacmi azalır. Gazlar bu etkiyi daha belirgin şekilde gösterir ancak çeşitli sıvılar ve katı metaller aynı özellikleri gösterir.

En çok biri parlak örnekler Genişleyen ve büzülen gaz balonun içindeki havadır. Dayandığımızda balon dışarıda sıfırın altındaki havalarda topun boyutu anında küçülür. Bir topu ısıtılmış bir odaya getirirsek hemen artar. Ama balonu hamamın içine getirirsek patlayacak.

Su molekülleri daha fazla alana ihtiyaç duyar

Bu genişleme ve daralma süreçlerinin meydana gelmesinin nedeni çeşitli maddeler, moleküllerdir. Daha fazla enerji alanlar (bu sıcak bir odada gerçekleşir), soğuk bir odadaki moleküllerden çok daha hızlı hareket ederler. Daha fazla enerjiye sahip parçacıklar çok daha aktif ve daha sık çarpışır; hareket etmek için daha fazla alana ihtiyaç duyarlar. Moleküllerin uyguladığı basıncı kontrol altına almak için malzemenin boyutu artmaya başlar. Üstelik bu oldukça hızlı bir şekilde gerçekleşir. Peki su donduğunda genleşir mi, daralır mı? Bu neden oluyor?

Su bu kurallara uymaz. Suyu dört santigrat dereceye kadar soğutmaya başlarsak hacmi azalır. Ancak sıcaklık düşmeye devam ederse su aniden genişlemeye başlar! Su yoğunluğunda anormallik diye bir özellik var. Bu özellik dört santigrat derece sıcaklıkta meydana gelir.

Artık suyun donduğunda genleşip büzülmediğini tespit ettiğimize göre, ilk etapta bu anormalliğin nasıl oluştuğunu öğrenelim. Bunun nedeni, oluştuğu parçacıklarda yatmaktadır. Su molekülü iki hidrojen atomu ve bir oksijen atomundan oluşur. O zamandan beri herkes suyun formülünü biliyor. birincil sınıflar. Bu moleküldeki atomlar elektronları farklı şekillerde çeker. Hidrojen pozitif bir ağırlık merkezi oluştururken, oksijen ise tam tersine negatif bir ağırlık merkezi oluşturur. Su molekülleri birbiriyle çarpıştığında, bir molekülün hidrojen atomları tamamen farklı bir molekülün oksijen atomuna aktarılır. Bu olaya hidrojen bağı denir.

Su soğuduğunda daha fazla alana ihtiyaç duyar

Hidrojen bağları oluşturma sürecinin başladığı anda, suda moleküllerin buz kristalindekiyle aynı sırada olduğu yerler görünmeye başlar. Bu boşluklara küme adı verilir. Katı bir su kristalindeki gibi dayanıklı değildirler. Sıcaklık arttıkça çökerler ve yerlerini değiştirirler.

İşlem sırasında sıvıdaki kümelerin sayısı hızla artmaya başlar. Yayılmaları için daha fazla alana ihtiyaç duyarlar ve bunun sonucunda anormal yoğunluğa ulaştıktan sonra suyun boyutu artar.

Termometre sıfırın altına düştüğünde kümeler minik buz kristallerine dönüşmeye başlar. Yükselmeye başlarlar. Tüm bunların sonucunda su buza dönüşür. Bu suyun çok alışılmadık bir yeteneğidir. Bu fenomen çok gereklidir büyük miktar Doğadaki süreçler. Hepimiz biliyoruz ve bilmiyorsak da buzun yoğunluğunun soğuk veya soğuk suyun yoğunluğundan biraz daha az olduğunu hatırlıyoruz. Bu sayede buz suyun yüzeyinde yüzer. Tüm su kütleleri yukarıdan aşağıya doğru donmaya başlar, bu da alttaki su sakinlerinin donmadan sakin bir şekilde var olmalarını sağlar. Artık suyun donduğunda genleşip büzülmediğini ayrıntılı olarak biliyoruz.

Sıcak su soğuk suya göre daha hızlı donar. İki özdeş bardak alıp birine sıcak su, diğerine aynı miktarda soğuk su dökersek şunu fark ederiz: sıcak su soğuktan daha hızlı donacaktır. Bu mantıklı değil, katılıyor musun? Sıcak suyun donmaya başlamadan önce soğuması gerekir, ancak soğuk suyun buna ihtiyacı yoktur. Nasıl açıklanır bu gerçek? Bilim adamları bugüne kadar bu gizemi açıklayamıyor. Bu olguya “Mpemba Etkisi” denir. 1963 yılında Tanzanyalı bir bilim adamı tarafından alışılmadık koşullar altında keşfedildi. Kendine dondurma yapmak isteyen bir öğrenci sıcak suyun daha çabuk donduğunu fark etti. Bunu ilk başta ona inanmayan fizik öğretmeniyle paylaştı.

Yoğunluk

Yoğunluk saf buz 0 °C sıcaklıkta ve 1 atm (1,01105 Pa) basınçta ρ h 916,8 kg/m3'e eşittir. Basınç arttıkça buzun yoğunluğu biraz artar. Böylece Antarktika buz tabakasının tabanında 4200 m'ye ulaşan en kalın yerlerde buz yoğunluğu 920 kg/m3'e ulaşabilmektedir. Buzun yoğunluğu da sıcaklık azaldıkça artar (sıcaklık 10 °C azaldığında yaklaşık 1,5 kg/m3 artar).

Termal deformasyon

Azalan sıcaklıkla birlikte numunelerin ve buz kütlelerinin doğrusal boyutları ve hacmi azalır ve artan sıcaklıkla ters süreç gözlenir - buzun termal genleşmesi. Katsayı doğrusal genişleme buz sıcaklığa bağlıdır ve yükseldikçe artar. -20 ila 0 °C sıcaklık aralığında doğrusal genleşme katsayısı ortalama 5,5-10~5'tir. ve buna göre hacimsel genleşme katsayısı 1 °C başına 16,5-10"5'tir. -40 ila -20 °C aralığında doğrusal genleşme katsayısı 1 °C başına 3,6-10"5'e düşer.

Füzyon ve süblimleşme ısısı

Birim buz kütlesini sıcaklığını değiştirmeden eritmek için gereken ısı miktarına buzun özgül füzyon ısısı denir. Dondurucu su aynı miktarda ısı açığa çıkarır. 0 °C'de ve normal atmosfer basıncında özgül ısı buzun erimesi Lpl = 333,6 kJ/kg'a eşittir.

Suyun sıcaklığına bağlı olarak gizli buharlaşma ısısı eşittir
L isp = 2500 - 246 kJ/kg,
burada 6 °C cinsinden buz sıcaklığıdır.

Buzun süblimleşmesinin özgül ısısı, yani doğrudan geçiş için gereken ısı miktarı taze buz buharda sabit sıcaklık, L buzunu eritmek ve L suyunu buharlaştırmak için gereken ısının toplamına eşittir:
L alt =L alt +L kullanımı

Süblimleşmenin özgül ısısı, buharlaşan buzun sıcaklığından neredeyse bağımsızdır (0 °C'de L süblim = 2834 kJ/kg, -10 °C - 2836'da, -20 °C - 2837 kJ/kg). Buhar süblimleştiğinde benzer miktarda ısı açığa çıkar.

Isı kapasitesi

Birim buz kütlesini 1 °C ısıtmak için gereken ısı miktarı sabit basınç, isminde spesifik ısı kapasitesi buz. Taze buzun ısı kapasitesi C l azalan sıcaklıkla azalır:
C1 = 2,12 + 0,00786 kJ/kg.

İlişki

Buz, iki parça buzun temas edip sıkıştırılmasıyla birlikte donmaları ile karakterize edilen emme (donma) özelliğine sahiptir. Yerelin etkisi altında yüksek tansiyon Temas noktalarında bir miktar buz erimesi meydana gelebilir. Ortaya çıkan su, basıncın daha düşük olduğu yerlere sıkılır ve orada donar. Buz yüzeylerinin donması basınç olmadan ve sıvı fazın katılımı olmadan gerçekleşebilir.

Rezorpsiyon özellikleri sayesinde buz tabakalarındaki ve masiflerdeki çatlaklar "iyileşebilir" ve kırık buz yekpare buza dönüşebilir. İnşaatta yapı malzemesi olarak buz kullanıldığında bu çok önemlidir. mühendislik yapıları(buz depoları, su geçirmez çekirdekler hidrolik yapılar vesaire.).

Metamorfizma

Buz metamorfizması, moleküler ve termodinamik süreçlerin etkisi altında yapısında ve dokusunda meydana gelen bir değişikliktir. Bu süreçler, metamorfik buzun oluşumunda en iyi şekilde kendini gösterir; bu durumda, birbirine zar zor dokunan kar parçacıklarının ilk birikiminden zamanla sürekli, geçilemez bir buz kristalleri kümesi oluşur. Bu durumda kristallerin göreceli yer değiştirmeleri, şekil ve boyutlarında yüzey değişiklikleri, bazı kristallerin diğerlerinin pahasına deformasyonu ve büyümesi meydana gelir.

İÇİNDE kristal buz metamorfizma, ağırlıklı olarak kristallerin ortalama boyutunda bir artış ve birim hacim başına sayılarında bir azalma ile birlikte kolektif yeniden kristalleşme şeklinde meydana gelir. Kristal boyutu arttıkça yeniden kristalleşmenin yoğunluğu yavaşlar.

Optik özellikler

Buz, çift kırılımlı ve bilinen herhangi bir mineral arasında en düşük kırılma indeksine sahip, tek eksenli, optik olarak pozitif bir kristaldir. Sonuç olarak çift ​​kırılma kristaldeki ışık akısı polarizedir. Bu, Polaroid'leri kullanarak kristal eksenlerin konumunu belirlemeyi mümkün kılar.

Işık çok kristalli buzdan geçtiğinde, emilim ve saçılma nedeniyle akıda bir zayıflama gözlenirken, ışık enerjisi ısıya dönüşerek buzun ışınımsal ısınmasına ve erimesine neden olur. Dağınık ışık, ışınlanmış yüzeyden çıkmak da dahil olmak üzere buzda her yöne yayılır. Işık saçılımı nedeniyle buz mavi ve hatta zümrüt renginde görünür ve buzun içinde mevcutsa önemli miktar hava kapanımları beyaz olur.

Buz yüzeyinden yansıyan ve yüzeye saçılan radyasyon enerjisi miktarının oranı toplam enerji Yüzeye giren ışık miktarına buzun albedosu denir. Albedo değeri buz yüzeyinin durumuna bağlıdır - temiz soğuk buz için albedo değeri yaklaşık 0,4'tür ve yüzeyin erimesi ve kirlenmesi durumunda 0,3-0,2'ye düşer. Buz yüzeyinde kar biriktiğinde albedo önemli ölçüde artar. Albedo kar örtüsü kutup ve dağlık bölgelerde yeni düşen kuru kar için 0,95 ile ıslak, kirlenmiş kar için 0,20 arasında değişir.

Voitkovsky K.F. Buzul biliminin temelleri. M.: Nauka, 1999, 255 s.

Sayfa 1

Donma sırasında suyun genleşmesi, Dünya yaşamındaki bir diğer önemli olgunun nedenlerinden biridir - yıkım kayalar. Donma sırasında ilk önce donar üst katman; bu durumda daha derin katmanlar kilitlenecektir. Bu katmanlar donmaya başladığında hacimleri artarak çatlağı genişleteceklerdir.  

Donma sırasında suyun genleşmesi, düzensiz bir düzenlemeyle (veya yalnızca dar alanlarda düzenli bir düzenlemeyle), bir tridimit yapısının oluşması durumunda su moleküllerinin tamamen düzenli bir yönelime göre daha az hacim kaplamasından kaynaklanmaktadır. Suyun donma sırasında genleşmesi nedeniyle (Le Chatelier ilkesine göre), artan basınçla donma noktası düşer. Bununla birlikte, donma sonrasında basınç belirli bir değeri aşarsa, normalden daha yoğun olan başka buz değişiklikleri oluşur. çoğunlukla daha sıkı sıvı su. Bu nedenle demir kapların içine kapatılmış veya kaya çatlaklarında biriken suyun patlama etkisi, eğer su donmadan önce zaten çok yüksek basınç altındaysa oluşmaz.  

Olgunlaşma sırasında suyun genleşmesi oldukça önemlidir ve buhar kazanlarının çalışması sırasında dikkate alınır: Kazanın ateşlenmesi, TBMI ile su sayaçlarındaki en düşük su seviyesinde başlar, böylece kazandaki buhar basıncı, işletme seviyesinde suyun genleşmesi sonucu artan bu seviye normal konumuna ulaşacaktır.  

Suyun ısıtıldığında genleşmesi, sıcaklığın artmasıyla hacmi giderek artan diğer sıvıların genleşmesinden farklıdır. Eğer atmosferik basınç normalde 4 C sıcaklıkta en küçük hacmi su kaplar. Sıcaklık 0 C'ye (donma noktası) düştükçe suyun hacmi artar. Şek. Şekil 9.4 yalnızca 14°C'ye kadar sıcaklığa bağlı olarak su hacminin grafiğini göstermektedir, ancak eğrinin kaynama noktasına doğru daha dik yükseldiği zaten açıktır.  

Donma sırasında suyun genleşmesi, buzun su üzerinde yüzdüğünü ve dibe düşmediğini de açıklamaktadır.  

Kutu 2'de donarken suyun genleşmesi ve kutudaki donmuş kanallara 8 çıkışının imkansızlığı nedeniyle, piston 3'e etki ederek onu su ceketine doğru hareket ettiren, kapağı sıkan önemli bir basınç oluşur. 4 ve bu kapak tarafından kapatılan delik açılarak su ceketinden dışarı dökülür.  

Suyun donma sırasında genleşmesi nedeniyle (Le Chatelier ilkesine göre), artan basınçla donma noktası düşer. Bununla birlikte, donma sonrasında basınç belirli bir değeri aşarsa, normalden daha yoğun, hatta çoğu zaman sıvı sudan daha yoğun olan diğer buz modifikasyonları oluşur. Dolayısıyla suyun demir kaplarda yarattığı yırtılma etkisi veya donma sırasında taşlarda çatlak oluşması, su donmadan önce zaten çok yüksek basınç altındaysa meydana gelmez.  

Suyun donma sırasında genleşmesi nedeniyle (Le Chatelier ilkesine göre), artan basınçla donma noktası düşer. Bununla birlikte, donma sonrasında basınç belirli bir değeri aşarsa, normalden daha yoğun, hatta çoğu zaman sıvı sudan daha yoğun olan diğer buz modifikasyonları oluşur. Dolayısıyla suyun demir kaplarda yarattığı yırtılma etkisi veya donma sırasında taşlarda çatlak oluşması, su donmadan önce zaten çok yüksek basınç altındaysa meydana gelmez.  

Suyun genleşmesinin özellikleri Dünya iklimi için çok büyük öneme sahiptir. En Dünya yüzeyinin %79'u sularla kaplıdır. güneş ışınları suyun yüzeyine düştüklerinde kısmen yansıtılırlar, kısmen suya nüfuz ederek onu ısıtırlar. Su sıcaklığı düşükse, ısıtılan katmanlar (örneğin 2°C'de) soğuk katmanlardan (örneğin 1°C'de) daha yoğundur ve bu nedenle aşağıya doğru batar. Yerlerini soğuk katmanlar alıyor, bu katmanlar da ısınıyor. Böylece, maksimum yoğunluğa karşılık gelen sıcaklığa ulaşılana kadar tüm su sütununun eşit şekilde ısıtılmasına katkıda bulunan su katmanlarında sürekli bir değişiklik olur. Daha fazla ısıtıldığında üst katmanlar giderek daha az yoğunlaşır ve bu nedenle üstte kalır.  

Suyun genleşmesinin özellikleri Dünya iklimi için çok büyük öneme sahiptir. Dünya yüzeyinin büyük bir kısmı (%79) sularla kaplıdır. Su yüzeyine düşen güneş ışınları kısmen ondan yansır, kısmen suya nüfuz ederek onu ısıtır. Su sıcaklığı düşükse, ısıtılan katmanlar (örneğin 2°C'de) soğuk katmanlardan (örneğin 1°C'de) daha yoğundur ve bu nedenle aşağıya doğru çöker. Yerlerini soğuk katmanlar alıyor, bu katmanlar da ısınıyor. Böylece, maksimum yoğunluğa karşılık gelen sıcaklığa ulaşılana kadar tüm su sütununun eşit şekilde ısıtılmasına katkıda bulunan su katmanlarında sürekli bir değişiklik olur. Daha fazla ısıtıldığında üst katmanlar giderek daha az yoğunlaşır ve bu nedenle üstte kalır.