С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00

Вода как замерзает


Почему вода замерзает

Почему вода замерзает? Вода – удивительное  чудо природы. Она необходима для всего живого на земле. Именно в воде, как утверждают ученые, зародилась жизнь. Удивительно, что вода способна пребывать в трех состояниях: жидком, твердом и газообразном. При этом она  может переходить из одного состояния в другое. Подавляющая часть  воды на планете имеет состояние жидкости. Твердое состояние воды – лед.

Почему вода замерзает на холоде

На свойство воды переходить в различные состояния влияет ее состав. Молекулы воды слабо связаны между собой; они всегда движутся и группируются, но при этом не могут образовать определенную структуру. Вода принимает форму того сосуда, в который ее помещают, но самостоятельно она не может удерживать какую-то определенную модель. Например, нальем воду в кастрюлю, и  жидкость примет ее форму, но вне посуды удержать не сможет.

При нагревании  молекулы воды начинают перемещаться по отношению друг к другу  еще быстрее и хаотичнее,  теряя  связь между собой в большей мере. При этом вода становится паром.

При влиянии на воду низких температур движение молекул затормаживается, связь между ними укрепляется, и тогда они могут построить структуру – кристаллы шестигранной формы. Состояние преобразования влаги в лед называется кристаллизацией, затвердеванием.

В таком крепком состоянии вода  может долгое время сохранять различную приобретенную ею форму. Замерзать вода начинает при температуре 0 градусов по Цельсию. Таким образом, переход воды из жидкого состояния в твердое, в  лед,  обусловлен физическими свойствами воды, ее  составом.

Почему горячая вода замерзает быстрее холодной

Говоря о «превращении» воды в лед, наблюдаются любопытные явления. Горячая вода замерзает быстрее, чем  холодная, как бы маловероятно сия данность не выглядела. Об этом факте было известно  давно, но долгое время не удавалось раскрыть тайну загадочного свойства воды. Лишь в двадцатом веке ученые всего мира попытались объяснить причину более быстрого замерзания горячей воды по сравнению с холодной.

В 1963 году мальчик по имени Мпемба из Танзании заметил, когда готовил мороженое, что  вкусный деликатес застывает быстрее, если сделан из теплого,  а не холодного молока. Над ним начали насмехаться, когда он поделился своими наблюдениями с учителем и друзьями. Лишь один человек – профессор  Деннис Осборн, с которым Мпемба познакомился уже  взрослым, обратил внимание на этот факт.

Выдвигалось много гипотез по поводу быстрого замерзания горячей воды, нежели холодной, но все они остались предположениями. «Странное» поведение воды называют «Эффект Мпембы». Исследования проводятся до сих пор. Ученые многих стран пытаются доказать «Эффект Мпембы», но пока что безрезультатно.

Многие исследователи считают этот факт, не заслуживающим внимания, так как мороженое имеет другие свойства в отличие от жесткой воды. Физики из Сингапура в 2013 году теоретически доказали загадку  эффекта Мпембы, а подтверждений лабораторных исследований непонятного явления  не существует до сих пор.

Вода замерзает сверху, а не снизу

Почти всем известно, что на водоемах при низких температурах сначала образуется тонкая ледяная  корочка, которая становится толще и крепче при усилении морозов. И если бы не это удивительное свойство воды, то вряд ли, кто-нибудь смог бы покататься на коньках, так как лед просто опускался бы на дно водоема.

Вода, как и большая часть аналогичных веществ, при охлаждении сжимается и уменьшается в объеме, но до температуры не ниже 3  градусов по Цельсию. При более низких температурах вода, наоборот,  расширяется, увеличивается ее плотность. Лед легче воды, и это удерживает его сверху.

Почему дистиллированная вода не замерзает

Дистиллированную воду  называют чистой, она « освобождена» от всяких примесей, кислорода. Примеси являются теми фрагментами, к которым крепятся молекулы воды. При переходе из жидкого состояния в лед, примеси, присутствующие в воде, сжимаются, Дистиллированная вода из-за отсутствия других веществ расширяется, дистанция между молекулами увеличивается.

Образовавшийся лед будет плавать на поверхности, так как легче воды. И все же дистиллированная вода может замерзать, но температура ее замерзания гораздо ниже, чем обычной воды. При этом было замечено, что стоит ударить, например, по бутылке с дистиллированной водой или встряхнуть,  и вода  тут же начнет замерзать. Объясняется это сцеплением  молекул при ударе.

Температура замерзания минеральной воды

Минеральная вода насыщена солями, химическими веществами, полезными  для человека. Температура замерзания минеральной воды ниже, чем у обычной. При ударе по сосуду с водой или встряхивании процесс замерзания ускорится так же, как и в случае с дистиллированной водой. Молекулы воды будут сцепляться друг с другом и структурироваться в кристаллы, соответственно, вода будет замерзать.

Замерзает ли соленая вода

Есть люди, считающие, что соленая вода не замерзает. Это утверждение не совсем верно. Соленая вода тоже имеет свойство замерзать, но температура ее замерзания значительно ниже нулевой отметки. Объяснение этому заключается в молекулярном составе воды.

Соль, а точнее, ее маленькие кристаллы не позволяют молекулам воды соединиться. Замерзание соленой воды зависит от концентрации соли, содержащейся в ней. Чем больше соли в воде, тем ниже температура замерзания. Почему же антарктические льды и айсберги являются запасами пресной воды? По версии ученых,  это фрагменты материка, отколовшиеся миллионы  лет тому назад. Их образованию способствовало не то место, где они находятся.

Морская вода тоже замерзает при очень низких температурах. Кристаллы льда, образовавшиеся на поверхности воды, выталкивают кристаллы соли, поэтому, чем  глубже, соляной раствор становится насыщеннее. Если взять лед с водной поверхности моря и растопить его, то растаявшая вода будет почти пресной.

Замерзает ли крещенская вода

Крещенскую воду называют «святой». Бытует мнение, что в Крещенскую ночь и в дальнейшие три дня вода во всех водоемах становится «святой», обладающей магическими свойствами исцеления. Она действительно может  храниться долгое время, не изменяя своих вкусовых качеств,  но  замерзает.  В этом может убедиться каждый желающий. Поместите на мороз 2 бутылочки, заполненные простой водой, и набранной в Крещенскую ночь. Вода одинаково замерзнет в обеих бутылках.

Замерзает ли вода в колодце

Люди предпочитают пить воду из колодца, считая ее более полезной и пригодной для организма.  Замерзает ли вода в колодце зимой? Ответ на этот вопрос очевиден. Если колодец достаточно глубокий, уровень воды не поднимается выше точки промерзания земли, соответственно, что вода в колодце не замерзнет.  Если колодец мелкий, то верхний слой воды может покрыться ледяной коркой или значительным пластом льда.

Вода – поразительное  вещество, способное переходить из одного состояния в другое, благодаря своему химическому составу. Температура замерзания воды различна. Вода – единственное, вероятно, исключительное вещество, способное  расширяться при низких температурах.

Замороженная вода

О значении и пользе  воды для жизни известно всем. Оказывается, что оттаявшая после замерзания вода обладает целебными свойствами на организм человека. Она  меняет свою структуру после процессов замораживания и оттаивания. Долголетию горцев многие приписывают употребление ими талой воды из источников, протекающих в горах.

pochemu24.ru

Почему вода замерзает?

Почему вода замерзает?

Вода – это вещество, которое может наблюдаться в трех агрегатных состояниях. Она может замерзать и быть твердым льдом, она бывает в жидкой форме, и также она присутствует в виде пара – не только в бане, но и в небе, в виде облаков. Однако в рамках данной статьи остановимся на первом ее состоянии, твердом.

Вода замерзает, образуя кристаллики твердого льда. Лед может формировать многокилометровые поверхности, покрывая реки, озера и другие водоемы. При этом он оказывается легче жидкой воды и всегда находится сверху. Замерзает вода из-за понижения температур.

Температуры и агрегатное состояние веществ

Молекула воды в различных агрегатных состояниях

Чем выше температуры, тем дальше отстоят между собой молекулы любых веществ. Их отдаление друг от друга приводит к размягчению вещества, которое сначала становится жидким, а потом и вовсе газообразным. Этот процесс можно рассмотреть на примере железа, которое плавится в тигле и обретает жидкую форму. При сильном повышении температур оно может стать и газообразным, то есть, испариться, но для этого температура должна быть по-настоящему высокой.

Вода же при обычной комнатной температуре является жидкостью. При повышении температур она станет паром, а при понижении – льдом. Ведь понижение температуры имеет обратное влияние на молекулы – они сближаются. А при их сближении вещество становится тверже, плотнее. Такого же эффекта можно добиться при механическом прессовании любого вещества- оно станет тверже, опять же из-за сближения молекул.

Что происходит при понижении температур?

Когда на воду оказывается влияние пониженных температур, молекулы сближаются, образуя шестигранные формы. Разумеется, это снежинки, которые являются кристаллами воды. Остывание воды и ее кристаллизация – это фактически синонимы, описывающие один и тот же процесс. Вода начинает кристаллизоваться при температуре в 0 градусов – именно этот момент и взят за нулевую отметку по шкале Цельсия. Если рассматривать американскую шкалу Фаренгейта, то здесь застывание воды будет происходить при 32 градусах.

Но для создания кристаллов воды нужна основа, какие-либо примеси или взвеси, благодаря которым стартует этот процесс. И если вода абсолютно чистая, здесь наблюдается несколько другое явление – порой она застывает только при -40 градусах, а при нуле и других не слишком низких отметках остается жидкой. Однако не замерзает она только в спокойном состоянии. Если ее взболтать при минусовых отметках, она немедленно превратится в лед.

Интересные факты

С водой связано множество парадоксов. И кроме уже описанного выше нюанса, необходимо отметить, что лед занимает больше объема, чем жидкая вода, то есть, при замерзании это вещество расширяется, в то время как другие наоборот занимают меньше объема при низких температурах. Именно с расширением воды при формировании льда и связано лопание бочек, труб и других объектов, оставленных на зиму заполненными водой. На момент замерзания молекулы немного отдаляются друг от друга, что и дает такой эффект. И именно этот фактор, наряду с вмерзшими пузыриками воздуха, делает лед плавучим. Если бы он тонул или формировался со дна, ни одно живое существо в водоемах не смогло бы перезимовать. Но формируясь именно на поверхности, и оставаясь там, лед наоборот сохраняет тепло воды и выполняет защитную функцию в зимнее время, давая животным, растениям и рыбам возможность перезимовать и выжить.

Есть и другие интересные феномены. Так, практика показала, что горячая вода замерзает быстрее холодной, и это явление с удивлением наблюдали еще во времена античности. На данный момент существует несколько гипотез, объясняющих этот парадокс, но окончательного ответа так и не было найдено.

Вода – это загадочная стихия, и чем больше люди погружаются в ее изучение, тем больше необъяснимых загадок она приносит. На данный момент установлено, что она обладает памятью, может быть мертвой или живой. Она является универсальным растворителем, и имеет массу других уникальных качеств. Несмотря на ее изобилие и распространенность на нашей планете, она все еще сохраняет множество своих загадок, и с большинством из них ученым приходится только мириться. Ведь спорить с фактами затруднительно.

www.voprosy-kak-i-pochemu.ru

Почему вода замерзает

Инструкция

Многие вещества, как природные, так и искусственные, могут находиться в нескольких фазовых состояниях, то есть формах существования, сменяющих друг друга в зависимости от внешних условий. В настоящее время известно больше десятка таких фазовых состояний, большинство которых достижимо только в лабораториях. В природе же чаще всего встречаются твердое, жидкое и газообразное. Большая часть воды, находящейся на нашей планете — жидкость. Это значит, что ее молекулы быстро движутся и слабо связаны между собой. Поэтому жидкость принимает любую форму, но не способна ее сохранять сама по себе.

При нагреве молекулы жидкости начинают двигаться еще быстрее, и вещество постепенно переходит в газообразное состояние. В газе молекулы находятся еще дальше друг от друга, поэтому газ можно сильно разрежать или сжимать, и он не только не сохраняет форму, но и занимает любой доступный объем.

Но если жидкость охладить, то она может перейти в твердое состояние. Ее молекулы замедляются настолько, что между ними образуются устойчивые связи. Возникает твердое тело, обладающее собственной внутренней структурой. Если эта структура упорядочена, то она называется кристаллической. Например, лед — кристаллическое вещество. Его кристаллы имеют шестигранную форму. Мелкие фигурные кристаллы льда, образующиеся в облаках, больше известны как снежинки.

Процесс перехода вещества из жидкого состояния в твердое называется застыванием или кристаллизацией, а переход из твердого в жидкое — плавлением. Плавление льда в просторечии называют таянием, а его кристаллизацию — замерзанием.

Все тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Однако расстояние между молекулами воды в кристалле льда немного больше, чем в жидкости. Поэтому лед при замерзании расширяется, так что вода, оставленная замерзать в бутылке, может разорвать ее, превратившись в лед. По этой же причине лед, образовавшийся в воде зимой, всегда плавает сверху, а не опускается на дно. Вода замерзает при температуре 0 градусов по шкале Цельсия. Правильнее, впрочем, будет сказать, что нулевая отметка на шкале Цельсия была установлена на температуре таяния льда, а температуру кипения воды Цельсий принял равной 100 градусам.

Современный городской водопровод является сложной технической системой, состоящей из большого количества сооружений, станций, узлов. Водопроводная система предназначена, прежде всего, для бесперебойного обеспечения населения водой, независимо от календарного времени года.

Работоспособность городского водопровода обеспечивается бесперебойным функционированием всех основных его подсистем (гидротехнических водозаборных узлов, станций водоподготовки, наружных и внутренних системы подачи воды, системы распределения воды и так далее). На всех стадиях проектирования и выполнения строительных работ по вводу в эксплуатацию магистралей водопровода обязательно учитывается условие ее работоспособности в условиях низких температур.Есть несколько способов прокладки наружной части (вне зданий и сооружений) водопроводной системы: наземная, подземная, канальная и другие.

При подземной прокладке водопровода для предотвращения замерзания воды зимой внутри труб обязательно предусматривают глубину закладывания системы, которая должна быть больше, чем глубина промерзания грунта. Глубина промерзания в разных регионах страны отличается и поэтому при проектировании этот факт обязательно учитывается в строительных нормах. Также для водопроводной системы используются специальные изолированные трубы, обладающие низкой теплопроводностью.

При надземной прокладке, помимо использования дополнительной теплоизоляции, могут быть использованы варианты объединенной системы (совместно с тепловой сетью) прокладки труб, либо варианты использования различных обогревающих элементов, например, кабелей.Водопроводный ввод в здание, как правило, осуществляют через фундамент или стену подвала.Внутри здания подсистемы сети водопровода, состоящие из подводок и стояков, могут быть с нижней разводкой (разводящая система находится внизу зданий) или с верхней разводкой (разводящая система находится на верхнем этаже или чердаке) и, вне зависимости от этого, все элементы водопроводной сети находятся в условиях, защищенных от возможного замерзания.

Для полноценной работы любой водопроводной системы необходимо главное условие – наличие требуемого давления воды в водопроводной сети. Замерзание воды при низких температурах также исключается из-за того, что при эксплуатации водопровода происходит регулярный расход воды, способствующий постоянной циркуляции водяного потока. Кроме того, постоянная циркуляция воды происходит и во время отсутствия расхода воды, за счет постоянного изменения давления и поддержания его необходимого уровня, что тоже играет большую роль в предупреждении замерзания внутри труб как снаружи, так и внутри зданий.

Когда человек на коньках передвигается по льду, то он не бежит, а скользит. Лезвия коньков плавно едут по поверхности, очевидно, встречая не слишком большое сопротивление. Опытный конькобежец способен развить скорость до 40 км в час. Законы физики – вот что помогает конькам скользить, а человеку очень быстро перемещаться по льду.

Почему же коньки так хорошо скользят? Первая мысль, которая приходит в голову – просто лед ровный и гладкий. Но в действительности есть и более ровные поверхности (например, стекло), по которым коньки не будут ехать. Весь секрет заключается в особенных свойствах воды. Вода несколько отличается от остальных веществ на Земле. Если практически все они при нагревании расширяются, а при охлаждении уменьшаются в объеме, то с водой все происходит совершенно наоборот. Если начать охлаждать воду, то до поры до времени она, как и другие вещества, будет сжиматься, но только до тех пор, пока ее температура не достигнет 4 градусов Цельсия. С этого момента вода начнет расширяться. А когда она превратится в лед, то будет занимать гораздо больше места, чем требовалось жидкости.Структура молекул льда очень интересная. Она формируются из ажурных соединений, между которыми много воздуха. Чтобы примерно представить себе процесс кристаллизации воды, можно вспомнить разнообразные формы снежинок. Именно по той причине, что во льду содержится много воздуха, его плотность меньше, чем у воды.Но когда на лед выходит человек на коньках, то узкие лезвия оказывают на замерзшую воду достаточно сильное давление. Благодаря этому кристаллы льда нагреваются и рушатся, вновь превращаясь в воду. Но одного давления недостаточно. Оказалось, что лед плавится еще и под воздействием силы, которую, как кажется, должен пытаться преодолеть конькобежец. Это сила трения. Ведь лед только выглядит таким гладким и зеркальным, а на самом деле вода застывает очень неравномерно. В тот момент, когда конек проскальзывает по шероховатой, если рассматривать в масштабе молекул, поверхности льда, возникает механическая энергия трения, которая мгновенно преобразуется в тепловую.Это происходит очень быстро, как раз в тот момент, когда лезвие скользит по льду. Под коньком образуется тонкая водяная прослойка, именно по ней он и скользит. Слой воды очень тонкий, и как только лезвие покинуло его поверхность, он тут же замерзает вновь, но этого короткого времени достаточно, чтобы можно было кататься на коньках.

Видео по теме

www.kakprosto.ru

IT News

Дата Категория: Физика

Первым признаком зимы является плавающий на поверхности прудов и озер лед. Это может показаться тривиальным и не очень важным, но если бы вода вела себя аналогично практически всем другим жидкостям, никто бы не смог кататься на коньках на пруду, потому что лед опускался бы на дно сразу же после своего образования. Что еще хуже, Земля в этом случае, по-видимому, была бы безжизненной пустыней, так как большая часть воды лежала бы в виде льда на дне океанов, озер и рек.

Большинство жидкостей сжимаются при охлаждении, уменьшаясь в объеме и увеличивая свою плотность. Например, твердый свечной воск опускается на дно миски с более горячим расплавленным воском. Вода также сжимается, но только до тех пор, пока не достигнет 4°С (39°F). Ниже этой температуры вода начинает расширяться и ее плотность уменьшается. Поэтому лед легче воды, находящейся вблизи точки замерзания, и как результат, он плавает.

Как вода замерзает

  1. Вода в пруду, охлажденная до 4°С (39°F), становится плотнее и опускается на дно. Более теплая и поэтому более легкая вода поднимается к поверхности, охлаждается и также опускается вниз.
  2. Когда последняя порция воды охладится до 4°С (39°F), конвекция, под действием которой холодная вода опускается вниз, а более теплая вода поднимается вверх, прекращается. В этом случае вся вода имеет одинаковую температуру. Плотность воды также одинакова.
  3. Когда вода в поверхностном слое охладится ниже 4°С (39°F), она расширяется и становится менее плотной. Поскольку вода при 3°С (37°F) легче, чем при 4°С (s39°F), более холодная вода остается наверху.
  4. Поверхностный слой воды продолжает охлаждаться с дальнейшим уменьшением плотности. Наконец, при 0°С (32°F) поверхностный слой воды превращается в лед.

Температурное расширение и плотность воды

При температурах выше 4°С (39°F) вода при охлаждении сжимается, достигая своей наибольшей плотности при 4°С. Однако, если охлаждение продолжается и температура падает ниже 4°С, вода начинает расширяться и ее плотность уменьшается. Количественно плотность равна массе единицы объема вещества и обычно измеряется в г/см3.

Воск и лед замерзают по-разному

На поверхности кубика льда образуется выпуклость (левый рисунок), потому что вода в центре кубика замерзает последней и, расширяясь по мере замерзания, может только подниматься вверх. В противоположность этому, в верхней части кубика воска образуется углубление, потому что воск (средний рисунок ) сжимается после затвердевания. Жидкости, сжимающиеся при замерзании равномерно (правый рисунок) формируют вогнутую поверхность.

Время года и температура воды в озере

Летом вода теплее у поверхности, чем в глубине. Зимой озеро может покрыться льдом, и вода в глубине станет теплее, чем на поверхности.

information-technology.ru


Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости