Вода при замерзании расширяется: Вода при замерзании расширяется | Вода России

Почему при замерзании вода расширяется?

От лопнувших в морозильнике бутылок до ущерба, причинённого морозом городской инфраструктуре:

когда вода замерзает, ей нужно больше места, чем в жидком состоянии.

Этим вода отличается от большинства сжимающихся при охлаждении жидкостей и газов. Но почему она ведёт себя так необычно?

Большинство веществ расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. У газов этот эффект проявляется особенно заметно. Таким же образом ведут себя жидкости и твёрдые тела. Хороший пример – воздух в воздушном шаре: в холодную погоду шар съёживается, а рядом с радиатором отопления может даже лопнуть.

Молекулам нужно место

Причиной этой закономерности являются молекулы: чем теплее предмет или газ, то есть чем больше энергии получают молекулы, тем быстрее они двигаются. Поэтому молекулы сталкиваются чаще и сильнее, им необходимо больше места, и давление, которое молекулы газа оказывают на оболочку воздушного шара, растёт. Чтобы выдержать давление, нужен бо́льший объём. Поэтому материал расширяется.

Но вода ведёт себя иначе. При охлаждении до приблизительно 4 градусов Цельсия объём воды уменьшается, что вполне ожидаемо. Однако, если температура продолжает падать, то вода начинается расширяться. То есть её плотность достигает максимального значения при 4 градусах. Это свойство называется аномалией плотности воды.

Но откуда она берётся? Всё дело в молекулах: одна молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода – отсюда следует известная химическая формула Н2О. Однако эти атомы притягивают электроны в молекуле воды с разной силой.

Это создаёт слегка положительный центр тяжести заряда у водорода и отрицательный у кислорода. Когда молекулы воды сталкиваются, атомы водорода одной молекулы притягиваются и присоединяются к атомам кислорода другой молекулы — образуется так называемая водородная связь.

Когда вода охлаждается, нужно ещё больше места

Из-за формирования водородных связей в жидкой воде появляются места, где молекулы упорядочены так же, как и в кристаллах льда. Эти так называемые кластеры не так прочны, как в твёрдом кристалле. При более высоких температурах они очень быстро меняются.

Когда вода охлаждается, появляется всё больше и больше таких кластеров. И им нужно всё больше и больше пространства. По этой причине вода начинает расширяться после достижения порогового значения 4 градуса Цельсия. Если температура опускается ниже нуля, то мельчайшие кристаллы льда образуются из кластеров и одерживают верх. И вода замерзает.

Для многих природных процессов эта необычная особенность воды очень важна. Так как плотность льда немного меньше плотности холодной воды, он может плавать на поверхности водоёма. Благодаря этому вода замерзает сверху вниз, а внизу располагается 4-градусный слой воды с максимальной плотностью. Это позволяет рыбе и другим водным обитателям пережить зиму на дне водоёма и не замёрзнуть.

Предложения для охлаждения

Вода при замерзании расширяется или сжимается: простая физика

Многие юные почемучки задаются вопросом: при замерзании вода расширяется или сжимается? Ответ следующий: с приходом зимы вода начинает свой процесс расширения. Почему это происходит? Это свойство выделяет воду из списка всех остальных жидкостей и газов, которые, наоборот, сжимаются при охлаждении. В чем заключается причина такого поведения этой необычной жидкости?

Физика 3 класса: вода при замерзании расширяется или сжимается?

Большинство веществ и материалов увеличиваются в объеме при нагревании и уменьшаются при охлаждении. Газы этот эффект показывают более заметно, но различные жидкости и твердые металлы проявляют такие же свойства.

Одним из наиболее ярких примеров расширения и сжимания газа является воздух в воздушном шаре. Когда мы выносим воздушный шар на улицу в минусовую погоду, то шар сразу уменьшается в размерах. Если мы шар вносим в отапливаемое помещение, то он сразу же увеличивается. А вот если мы внесем воздушный шар в баню — он лопнет.

Молекулы воды требуют больше места

Причиной тому, что происходят эти процессы расширения и сжатия различных веществ, являются молекулы. Те из них, которые получают больше энергии (это происходит в теплом помещении), двигаются намного быстрее, чем молекулы, находящиеся в холодном помещении. Частицы, которые имеют большую энергию, сталкиваются намного активнее и чаще, им необходимо больше места для движения. Чтобы сдержать то давление, которое оказывают молекулы, материал начинает увеличиваться в размерах. Причем это происходит достаточно стремительно. Итак, вода при замерзании расширяется или сжимается? Почему это происходит?

Вода не подчиняется этим правилам. Если мы начинаем охлаждать воду до четырех градусов Цельсия, то она уменьшает свой объем. Но если температура продолжает падать, то вода вдруг начинает расширяться! Существует такое свойство, как аномалия плотности воды. Это свойство возникает при температуре в четыре градуса Цельсия.

Теперь, когда мы выяснили, расширяется или сжимается вода при замерзании, давайте узнаем, как вообще возникает эта аномалия. Причина таится в частицах, из которых она состоит. Молекула воды создана из двух атомов водорода и одного — кислорода. Формулу воды все знают еще с начальных классов. Атомы в этой молекуле притягивают электроны по-разному. У водорода создается положительный центр тяжести, а у кислорода, наоборот — отрицательный. Когда молекулы воды сталкиваются друг с другом, то атомы водорода одной молекулы переходят на атом кислорода совершенно другой молекулы. Этот феномен называется водородной связью.

Воде нужно больше места при ее охлаждении

В тот момент, когда начинается процесс формирования водородных связей, в воде начинают возникать места, где молекулы находятся в том же порядке, что и в кристалле льда. Эти заготовки называются кластерами. Они не прочны, как в твердом кристалле воды. При повышении температуры они разрушаются и меняют свое местоположение.

Во время процесса охлаждения воды начинает стремительно увеличиваться количество кластеров в жидкости. Они требуют больше пространства для распространения, вследствие этого вода и увеличивается в размерах после достижения своей аномальной плотности.

При падении столбика термометра ниже нуля кластеры начинают превращаться в мельчайшие кристаллы льда. Они начинают подниматься вверх. Вследствие всего этого вода превращается в лед. Это очень необычная способность воды. Данный феномен необходим для очень большого количества процессов в природе. Мы все знаем, а если не знаем, то запоминаем, что плотность льда незначительно меньше плотности прохладной или же холодной воды. Благодаря этому лед плавает на поверхности воды. Все водоемы начинают замерзать сверху вниз, что позволяет спокойно существовать и не замерзать водным обитателям на дне. Итак, теперь мы в подробностях знаем о том, расширяется или сжимается вода при замерзании.

Интересный феномен

Горячая вода замерзает быстрее холодной. Если мы возьмем два одинаковых стакана и нальем в один горячей воды, а в другой столько же холодной, то мы заметим, что горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Это не логично, согласитесь? Горячей воде нужно остыть, чтобы начинать замерзать, а холодной этого не нужно. Как объяснить данный факт? Ученые по сей день не могут объяснить эту загадку. Данный феномен имеет название «Эффект Мпембы». Открыт был в 1963 году ученым из Танзании при необычном стечении обстоятельств. Студент хотел сделать себе мороженое и заметил, что горячая вода замерзает быстрее. Об этом он поделился со своим учителем физики, который сначала не поверил ему.

Почему вода замерзает

Жизнь человека всегда зависела от воды. Поэтому с давних времен люди внимательно за ней наблюдали, обнаружив, что на холоде вода замерзает, то есть превращается в твердое вещество — лед, который при нагреве опять становится водой.

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.

Физический опыт: «Вода при замерзании расширяется»

Физический опыт: «Вода при замерзании расширяется»

Понадобятся: Полупрозрачная трубочка (можно взять коктейльную трубочку), кусочек пластилина, маркер или фломастер.

Эксперимент: Залепите один конец трубки пластилином, налейте в нее до середины воды и залепите пластилином второй конец. Маркером отметьте то место, до которого доходит вода. Установите трубочку вертикально в морозилке и подождите, пока она полностью не замерзнет. Достаньте трубку со льдом. Видите, насколько увеличился его уровень по сравнению с первоначальным уровнем жидкости? Значит при замерзании вода расширяется.

Если ребенок уже умеет делать измерения и считать, замерьте с ним, на сколько именно увеличился столбик льда и рассчитайте, какая это часть (теоретически, вода в замороженном виде занимает на 1/9 больше места, чем в жидком). У нас так и получилось — столбик воды был 9 см, а столбик льда 10 см.

• Наливаем в трубочку воду.

• Отмечаем ее уровень.

• Сравниваем получившийся уровень после заморозки

Объяснение: И лед, и вода — это одно и то же вещество, просто оно находится в разных состояниях. Вода — это жидкое состояние, лед — твердое. (Спросите у детей, в каком еще состоянии может быть вода? Правильно, в виде пара. То есть газообразном).

Каждая молекула этого вещества состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Так это остается и в жидком состоянии, и в твердом. Меняется только порядок молекул.

В воде молекулы расположены хаотично. Они двигаются относительно друг друга (поэтому вода не имеет своей формы). А вот когда вода замерзает, молекулы выстраиваются в определенном порядке.

Теперь они уже не движутся и сохраняют строй. Поэтому лед твердый. А так как в строю молекулы воды сохраняют между собой определенную дистанцию (она определяется строением и ориентацией самих молекул), то и получается, что лед занимает больше места, чем вода, в которой молекулы могли стоять как им вздумается.

Эксперимент с покадровой анимацией показывает двойственную природу переохлажденной воды

Жидкая вода при температурах значительно ниже нуля
имеет два разных варианта расположения молекул, — пишет sciencenews.org со
ссылкой на Science.

Молекулы жидкой воды при температурах значительно ниже точки
замерзания располагаются двумя способами: либо с высокой
плотностью, либо с низкой. Ученые провели эксперимент,
предоставляющий новые доказательства этой теории.

Обычно вода замерзает ниже 0° по Цельсию из-за примесей, таких
как пыль в воде, на которой могут образовываться кристаллы льда.
Но чистая вода, в которой отсутствуют пусковые механизмы
кристаллизации, может оставаться жидкой при гораздо более низких
температурах, и это явление называется переохлаждением.

В 1990-х годах группа физиков предположила, что при высоких
давлениях и очень низких температурах переохлажденная вода
распадается на две отдельные жидкости с разной плотностью. При
атмосферном давлении, при котором проводился новый эксперимент,
переохлажденная вода должна была сохранять некоторые следы такого
поведения, что приводило бы к переходному расположению молекул в
формациях высокой и низкой плотности.

Хотя эксперименты и намекали на этот эффект, ученые не смогли
полностью определить его. «Есть температурный регион, в котором
[переохлажденная вода] экспериментально очень трудна для
изучения», — говорит Лони Крингл из Тихоокеанской северо-западной
национальной лаборатории в Ричленде (штат Вашингтон).

При температуре от –113°C до –38°C жидкость кристаллизуется очень
быстро, даже если она полностью чистая. Это затрудняет
определение ее свойств, поскольку измерения должны проводиться за
доли секунды до того, как вода замерзнет.

Теперь Крингл и его коллеги провели такой эксперимент: они
нагрели тонкую пленку воды с помощью лазера, а затем быстро
охладили жидкость. Попадание на пленку инфракрасным светом
показало, как молекулы воды двигаются и образуют структуры. Затем
команда повторила этот процесс, чтобы сделать снимки того, как
эта структура развивалась с течением времени при нагревании и
охлаждении пленки. Это позволило ученым измерить свойства
жидкости при температурах, при которых она могла бы быстро
кристаллизоваться, если бы находилась там в течение более
длительных периодов времени.

Исследователи пришли к выводу, что поведение воды при нагревании
и охлаждении можно объяснить сосуществованием двух различных
молекулярных структур, как предсказывалось ранее. Однако команда
напрямую не измерила плотность этих структур, поэтому требуется
дополнительная работа, чтобы подтвердить правильность теории.

«Комбинация методов совершенно новая и оригинальная, — говорит
инженер-химик Пабло Дебенедетти из Принстонского университета,
который не принимал участия в исследовании.

Лучшее понимание странных свойств переохлажденной воды может
помочь ученым понять причуды воды. Например, в отличие от
большинства веществ, вода при замерзании расширяется, что делает
ее менее плотной, чем ее жидкая форма. Вот почему лед плавает в
вашей чашке и стоит на берегу озера, оставляя под собой слой
жидкости, который может укрыть водную флору и фауну зимой.

«Вода — очень странная жидкость, — говорит физик Грег Киммел,
соавтор исследования, также работающего в Тихоокеанской
северо-западной национальной лаборатории. —  Но все с ней
знакомы, поэтому мы даже не осознаем, насколько это странно».

[Фото: sciencenews.org]

Что происходит при замерзании воды. Вода при замерзании расширяется или сжимается: простая физика

Это — вообще уникальное свойство молекулы воды Н2О: замерзая и кристаллизуясь, атомы водорода и кислорода образуют кристаллическую решетку с расстояниями между собой более дальним, чем в quot;плотно упакованнойquot; смеси молекул воды.

Молекулы воды:

Молекулы льда:

В результате объем одной и той же массы льда — увеличивается примерно на 9 % по сравнению с той же массой воды, соответственно — плотность льда — ниже..

И, благодаря этому уникальному свойству воды, кстати — на Земле существет жизнь
: более легкий лед, образовываясь зимой в реках, озерах, морях, океанах — всплывает вверх, создавая панцирь и не давая воде снизу замерзнуть.

В противном случае более тяжелый лед — оказывался бы на дне водоемов, и постепенно вся вода на Земле — источник биологической жизни — просто бы вымерзла, не успевая расстаять за лето на дне Мирового Океана
, подробно об этом можно прочитать .

Вода — одна из немногих жидкостей, которая увеличивается в размере после замерзания. Из-за этого свойства во многих породах в природе появляются трещины после заморозки воды.

А все из-за того, что кристаллическая решетка льда заменяет больше места, чем обычная молекула воды.

Слава Богу за воду! Господь все дивно сотворил!

Это все интересно, только ошибка человека заключается в том что он всюду пытается в лесть с топором. А ответ может заключаться в элементарном. Будь моя воля я бы вообще убрал h3O из таблицы Менделеева или сделал приписку живая. И вот почему: как всем известно вода состоит из двух компонентов (кислорода и водорода) и находясь в любом состоянии будь то жидкое, газообразное или кристаллическое подвержена постоянному синтезу,элементарный круговорот воды в природе знающий любому школьнику. А теперь разберем ошибку, точнее дополним ответ что происходит при замерзании воды, да вода приобретает кристаллическую форму вытесняя кислород что можно увидеть при образовании пустот в виде пузыриков на пример, именно они создают мнимый увеличенный объем так как плотно закрытая бутылка не дает оттоку кислорода. Так же как и при нагретой жидкости бутылку разорвет. Мы живем в постоянном изменении температуры иными словами климате а это значит что можно предположить что вода не имеет постоянного свойства и даже при не значительных перепадах температуры вода регенерирует в ту или иную форму. А все приведенные опыты будь то нагревание или замерзание лишь ускоряют его. Если принять такое отверждение как данность не удивлюсь что именно вода основной ключ к бессмертию или по крайней мере к долголетию так как человек также большую часть состоит из воды. Это лично мое мнение.

Дело в том, что замерзая, вода кристаллизуется. И если в жидком состоянии молекулы воды расположены более тесно, плотно, то в замерзшем состоянии атомы кислорода и водорода располагаются по углам кристаллов, между которыми, углами, имеется определенное расстояние. Таким образом, отдельно взятое кол-во воды становится менее плотным и увеличивается в объеме.

Правильно мыслишь super4el. Одно только это уже приводит в сомнение что при замерзании частицы увеличиваются в объеме. Люди не смогли бы выживать в минусовую температуру так как простите за выражение их бы разрывало согласно такому утверждению уже при -20. попробуйте заморозить жидкость не содержащую кислорода.

Есть еще одно объяснение этому расширению воды, имеющее право на существование. Речь идет о так называемых Ван-дер-ваальсовских силах. Силах межмолекулярного и межатомного взаимодействия. При температуре + 4 градуса по Цельсию в нормальных условиях вода имеет уравновешенное оптимальное состояние межмолекулярных связей и поворотов диполей.

При понижении температуры колебания молекул уменьшаются. Здесь важно пояснить, что молекулы постоянно находятся в состоянии колебания, относительно свое оси (суммарной оси диполя). При этом диполями создается сверхмалое магнитное поле (как капсула). Благодаря этому полю диполи в воде не входят в непосредственный контакт друг с другом, но могут под действием сверхмалых сил притяжения при определенных условиях собираться в кластеры или структуры. Эти колебания молекул создают микро-ЭДС и при определенных условиях простая вода может быть источником энергии. Итак, при снижении температуры колебания молекул снижаются, и магнитные поля ослабевают до такой степени, что возможен вход диполей один в другой (зацеп). Но при сближении атомов диполя увеличиваются силы отталкивания (Ван-дер-ваальса). И диполи поворачиваются друг к другу совсем не так. Получается как колючий ежик) с водородными рогами и наружу и внутрь. В зависимости какие изотопы водорода и кислорода, и какие у них атомные спины. Структура воды меняется, и внешне и визуально видно РАСШИРЕНИЕ объема воды. При этом атомарные силы так велики, что могут при ЭНТРОПИЙНОМ сжатии, разорвать кристаллические связи других веществ.

Но не вся вода может расширяться при замерзании. Исследователями Санкт-Петербурга создана вода, которая не расширяется при замерзании. Температура е замерзания 10-12 градусов ниже нуля. Вода сохраняет свойства питьевой воды, одновременно обладает многими отличительными физическими свойствами от обычной. Обладая многими положительными свойствами для физиологии человека, она (вода) может быть также использована во многих существующих технических и иных направлениях, а также в новых технологиях. Мир вокруг нас загадочен. Надо только по иному на него взглянуть.

При замерзании происходит расширение на 10 % объема, занимаемой водой.

Такого расширения достаточно для разрыва труб и других емкостей содержащих воду.

До 4 градусов при нормальном давлении вода ведет себя как и все вещества — сжимается и достигает максимальной плотности.

Ниже 4 градусов у воды начинается перестройка молекулярной структуры. Новый вид связи имеет менее плотную структуру. В таком состоянии вода замерзает.

Молекулы воды при ее замерзании замедляют свое движение, но до температуры 4 градуса, когда вода имеет наибольшую плотность. А с 4 по 0 градусов происходит перестройка водородно-кислородных связей, вода меняет свою структуру, этот новый вид молекулярной связи образует менее плотную упаковку молекул, отчего объем воды увеличивается на 9%. То есть атомы кислорода и водорода начинают отстоять друг от друга дальше, грубо говоря, не так тесно прижимаются друг к другу.

Это уникальное свойство именно воды, хотя есть еще некоторые вещества с отрицательным коэффициентом объемного расширения, например фторид скандия, но он в отличии от воды не является столь широко распространенным в природе и не столь необходим для поддержания жизни. А уникальное свойство воды превращаясь в лед терять плотность, помогло выжить многочисленным водным организмам, ведь благодаря этому водоемы не промерзают до дна, а температура глубинных слоев воды остается выше нуля. То есть, физики объясняют этот процесс особенностями кристаллического строения льда, но не слишком ли замечательное исключение для вещества, без которого невозможна была бы жизнь? Может есть некий высший смысл в таком поведении обычной воды.

Вода после замерзания увеличивается в объеме потому что образуются молекулы кристаллической сетки которые связываясь между собой на больших расстояниях и таким образом увеличиваются в размерах, причиной тому реакция молекулы воды Н2О, благодаря такой реакции лед и выглядит больше воды.

не буду приводить кучу разных физических формул и вычислений, скажу — это зависит от плотности, как бы странно не звучало, но у льда плотность меньше чем у воды.

Плотность

Плотность чистого льда ρ ч при температуре О °С и давлении 1 атм (1,01105 Па) равна 916,8 кг/м 3 . При увеличении давления плотность льда несколько увеличивается. Так, в основании Антарктического ледникового щита в местах его наибольшей мощности, достигающей 4200 м, плотность льда может достигать 920 кг/м 3 . Плотность льда увеличивается также при понижении температуры (примерно на 1,5 кг/м 3 при понижении температуры на 10 °С).

Тепловая деформация

При понижении температуры линейные размеры и объем образцов и массивов льда уменьшаются, а при повышении температуры наблюдается противоположный процесс — термическое расширение льда. Коэффициент линейного расширения льда зависит от температуры, увеличиваясь при ее повышении. В интервале температуры от -20 до 0 °С коэффициент линейного расширения в среднем равен 5,5-10~5,. а коэффициент объемного расширения соответственно составляет 16,5-10″5 на 1 °С. В интервале от -40 до -20 °С коэффициент линейного расширения уменьшается до 3,6-10~5 на 1 °С.

Теплота плавления и возгонки

Количество тепла, требуемое для таяния единицы массы льда без изменения его температуры, называется удельной теплотой плавления льда. Замерзающая вода выделяет такое же количество тепла. При 0 °С и при нормальном атмосферном давлении удельная теплота плавления льда равна L пл = 333,6 кДж/кг.

Скрытая теплота испарения воды в зависимости от ее температуры равна

L исп = 2500 — 246 кДж/кг
,

где 6 — температура льда в °С.

Удельная теплота возгонки льда
, т.е. количество тепла, требуемое для непосредственного перехода пресного льда в пар при постоянной температуре, равно сумме затрат тепла, требуемого для таяния льда L по и испарения воды L исп:

L возг =L пл +L исп

Удельная теплота возгонки почти не зависит от температуры испаряющегося льда (при 0 °С L возг = 2834 кДж/кг, при -10°С — 2836, при -20 °С — 2837 кДж/кг). При сублимации пара выделяется аналогичное количество тепла.

Теплоемкость

Количество тепла, необходимое для нагрева единицы массы льда на 1 °С при постоянном давлении, называется удельной теплоемкостью льда. Теплоемкость пресного льда С л уменьшается с понижением температуры:

С л = 2,12 + 0,00786 кДж/кг.

Режеляция

Лед обладает свойством режеляции (смерзаемости), которое характеризуется тем, что при соприкосновении и сжатии двух кусков льда они смерзаются. Под действием местных повышенных давлений на контактах может происходить некоторое плавление льда. Образующаяся при этом вода выдавливается в места, где давление меньше, и там замерзает. Смерзание ледяных поверхностей может происходить и без давления, и без участия жидкой фазы.

Благодаря свойствам режеляции трещины в ледяных покровах и массивах способны «залечиваться» и трещиноватый лед может превращаться в монолитный. Это весьма важно при использовании льда в качестве строительного материала для возведения инженерных конструкций (ледяных складов, водонепроницаемых ядер гидротехнических сооружений и др.).

Метаморфизм

Метаморфизмом льда называется изменение его структуры и текстуры под воздействием молекулярных и термодинамических процессов. Эти процессы наиболее полно проявляются при образовании метаморфических льдов, когда из первоначального скопления едва соприкасающихся между собой частиц снега со временем формируется сплошной, непроницаемый агрегат ледяных кристаллов. При этом про¬исходят относительные смещения кристаллов, поверхностные изменения их формы и размеров, деформации и рост одних кристаллов за счет других.

В кристаллическом льде метаморфизм происходит преимущественно в виде собирательной перекристаллизации с ростом среднего размера кристаллов и уменьшением их количества в единице объема. По мере увеличения размеров кристалла интенсивность перекристаллизации замедляется.

Оптические свойства

Лед является одноосным, оптически положительным кристаллом, обладающим свойством двойного преломления, при этом у него самый низкий показатель преломления из всех известных минералов. В результате двойного лучепреломления световой поток в кристалле поляризуется. Это позволяет определять положение осей кристаллов с помощью поляроидов.

При прохождении света через поликристаллический лед наблюдается ослабление потока вследствие поглощения и рассеяния, при этом световая энергия переходит в тепловую, вызывая радиационный нагрев и таяние льда. Рассеянный свет распространяется во льду во всех направлениях, в том числе выходит через облучаемую поверхность. Из-за рассеяния света лед выглядит голубым и даже изумрудным, а при наличии во льду значительного количества воздушных включений он приобретает белый цвет.

Отношение количества отраженной от поверхности льда и выходящей через поверхность рассеянной лучевой энергии к общей энергии поступающего на поверхность света называется альбедо льда. Вели¬чина альбедо зависит от состояния поверхности льда — для чистого холодного льда величина альбедо порядка 0,4, а при таянии и загрязнении поверхности она снижается до 0,3-0,2. При отложении на поверхности льда снега альбедо существенно увеличивается. Альбедо снежного покрова меняется от 0,95 для свежевыпавшего сухого снега в полярных и горных районах до 0,20 для влажного загрязненного снега.

Войтковский К.Ф. Основы гляциологии. М.: Наука, 1999, 255 с.

Cтраница 1

Расширение воды при замерзании является одной из причин и другого, важного в жизни Земли явления — разрушения горных пород. Во время мороза сначала замерзает верхний слой; при этом более глубокие слои будут заперты. Когда же и эти слои начнут замерзать, то они, увеличиваясь при этом в объеме, будут расширять трещину.
 

Расширение воды при замерзании связано с тем, что при нерегулярном расположении (или при регулярном только в узких областях) молекулы воды занимают меньший объем, чем при совершенно регулярной ориентации в случае образования тридимитной структуры. Вследствие расширения воды при замерзании (по принципу Ле-Шателье) с увеличением давления температура замерзания понижается. Однако если после замерзания давление превосходит определенную величину, то образуются другие модификации льда, которые плотнее обычного, даже большей частью плотнее жидкой воды. Поэтому разрывающего цействия, которое оказывает вода, заключенная в железные сосуды или скапливающаяся в трещинах скал, не происходит в том случае, если вода перед замерзанием оказывается уже под очень высоким давлением.
 

Расширение воды при ее назревании довольно существенно и учитывается при эксплоатаЦии паровых котлов: растопка котлов начинается при самом низком уровне воды в водомерных приборах, с TBMI, чтобы1 ко времени доведения давления пара в котле до рабочего этот уровень, повышаясь в результате расширения воды, достиг бы своего нормального положения.
 

Расширение воды при нагревании отличается от расширения других жидкостей, объем которых плавно увеличивается с повышением температуры. Если атмосферное давление нормально, то вода занимает наименьший объем при 4 С. С понижением температуры до О С (точка замерзания) объем воды увеличивается. На рис. 9.4 представлен график зависимости объема воды от температуры только до 14 С, но уже видно, что кривая поднимается все круче к точке кипения.
 

Расширением воды при замерзании объясняется и то, что лед на воде плавает, а не падает на дно.
 

От расширения воды при замерзании в коробке 2 и невозможности выхода ее в замерзшие каналы 8 в коробке образуется значительное давление, которое, действуя на поршенек 3, продвигает его в сторону водяной рубашки, выжимает крышку 4 и открывает отверстие, закрытое этой крышкой, вследствие чего вода из водяной рубашки выливается наружу.
 

Вследствие расширения воды при замерзании (по принципу Ле-Шателье) с увеличением давления температура замерзания понижается. Однака если после замерзания давление превосходит определенную величину, то образуются другие модификации льда, которые плотнее обычного, даже большей частью плотнее жидкой воды. Поэтому разрывающего действия, которое оказывает вода, заключенная в железные сосуды или образования трещин в камнях, при замерзании не происходит в том случае, если вода перед замерзанием оказывается уже под очень высоким давлением.
 

Вследствие расширения воды при замерзании (по принципу Ле-Шателье) с увеличением давления температура замерзания понижается. Однако если после замерзания давление превосходит определенную величину, то образуются другие модификации льда, которые плотнее обычного, даже большей частью плотнее жидкой воды. Поэтому разрывающего действия, которое оказывает вода, заключенная в железные сосуды или образования трещин в камнях, при замерзании не происходит в том случае, если вода перед замерзанием оказывается уже под очень высоким давлением.
 

Особенности расширения воды имеют громадное значение для климата Земли. Большая часть (79 %) поверхности Земли покрыта водой. Солнечные лучи, падая на поверхность воды, частично отражаются от нее, частично проникают внутрь воды и нагревают ее. Если температура воды низка, то нагревшиеся слои (например, при 2 С) более плртны, чем холодные слои (например, при 1 С), и потому опускаются вниз. Их место занимают холодные слои, в свою очередь нагревающиеся. Таким образом, происходит непрерывная смена слоев воды, что способствует равномерному прогреванию всей толщи воды, пока не будет достигнута температура, соответствующая максимальной плотности. При дальнейшем нагревании верхние слои становятся все менее плотными, а потому и остаются вверху.
 

Особенности расширения воды имеют громадное значение для климата Земли. Большая часть (79 %) поверхности Земли покрыта водой. Солнечные лучи, падая на поверхность воды, частично отражаются от нее, частично проникают внутрь воды и нагревают ее. Если температура воды низка, то нагревшиеся слои (например, при 2е С) более плотны, чем холодные слои (например, при 1 С), и потому опускаются вниз. Их место занимают холодные слои, в свою очередь нагревающиеся. Таким образом, происходит непрерывная смена слоев воды, что способствует равномерному прогреванию всей толщи воды, пока не будет достигнута температура, соответствующая максимальной плотности. При дальнейшем нагревании верхние слои становятся все менее плотными, а потому и остаются вверху.
 

нагретого пламени, а во втором-то же самое количество теплоты исходит от сравнительно холодного железа.

Опыты показали, что никакой разницы в обоих случаях не существует, а потому теплота, рассматриваемая по отношению к ее способности нагревать тела и изменять их состояние, есть количество, подлежащее точному измерению, и не может представлять
качественных

отличий.

К. Максуэлл.

„Теория теплоты»,

% 1883.

Расширение воды при замерзании.

Начиная с 4°Ц. до самой точки замерзания, вода при охлаждении расширяется, а когда она превращается в лед, расширение ее совершается быстро и внезапно.ерем и другой такой же сосуд. Погрузим оба сосуда в охлаждающую смесь. Они постепенно охладевают, вода внутри них доходит до своей точки наибольшей плотности, и без сомнения в этот момент не совершенно наполняет бутылки, а оставляет внутри небольшую пустоту. Но скоро сжатие воды прекращается, наступает расширение; пустота медленно заполняется; вода постепенно переходит из жидкого состояния
h
твердое, причем объем ее увеличивается, и этому увеличению объема сопротивляются стенки железного сосуда. Но их сопротивление бессильно перед молекулярными силами: молекулы-это замаскированные гиганты. Раздается треск: бутылка разрывается кристаллизующимися частицами; то же происходит и с другою бутылкой.

В другом опыте с громким взрывом лопались толстые стенки артиллерийской бомбы: бомба была наполнена водою, туго завинчена и поставлена в кадку с охлаждающей смесью. При выполнении этого опыта надо покрывать кадку толстым холстом: когда я не делал этого, обломки бомбы подбрасывало под потолок.

Теперь вам понятно действие мороза на водопроводные трубы в домах. Обычно думают, что разрыв труб происходит во время таяния льда в трубах *), но на самом деле это происходит во время замерзания:

*)

Вследствие

дурной

теплопроводности

стен

и

почвы,

холод

весьма

медленно

про­

никает

через

них

и

достигает

водопроводных

труб

в

домах

(особенно

в

подвалах)

с

зна­

чительным

опозданием-нередко

лишь

тогда,

когда

вне

здания

успела

уже

после

морозов

наступить

оттепель;

в

этом,

по

всей

вероятности,

и

следует

видеть

причину

распространен­

ного

заблуждения,

будто

водопроводные

трубы

лопаются

не

в

мороз,

а

в

оттепель,

т.-е.

не

от

замерзания

воды,

а

от

таяния

льда.-

Сост.

Ученые открыли новое состояние воды

https://ria.ru/20200917/voda-1577410292.html

Ученые открыли новое состояние воды

Ученые открыли новое состояние воды — РИА Новости, 17.09.2020

Ученые открыли новое состояние воды

Переохлажденная вода — это две жидкости в одной. К такому выводу пришли американские исследователи после проведения первых в истории измерений жидкой воды при… РИА Новости, 17.09.2020

2020-09-17T21:00

2020-09-17T21:00

2020-09-17T21:00

наука

открытия — риа наука

министерство энергетики сша

химия

физика

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/09/08/1576937903_0:200:3011:1894_1920x0_80_0_0_9dcc31f45bfbd9961c9a33776bd0f00d.jpg

МОСКВА, 17 сен — РИА Новости. Переохлажденная вода — это две жидкости в одной. К такому выводу пришли американские исследователи после проведения первых в истории измерений жидкой воды при температурах намного ниже ее обычной точки замерзания. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.Несмотря на чрезвычайно широкую распространенность, вода как химическое вещество до сих до конца не изучена. Ученые иногда называют ее самой загадочной субстанцией на Земле.Дело в том, что вода не похожа на другие жидкости — при замерзании она расширяется, а не сжимается, как все остальные, ее плотность при этом уменьшается. Поэтому водяной лед не тонет, а плавает на поверхности. У воды высокая температура кипения и она прекрасный растворитель, поэтому в ней, при различных условиях, растворяется большинство органических и неорганических веществ. И, наконец, у нее огромный коэффициент поверхностного натяжения. Благодаря всем этим уникальным свойствам вода стала основой жизни на Земле.Есть у воды еще одно интересное качество — она очень «неохотно» замерзает. Если другие жидкости начинают переходить в твердое состояние постепенно, сразу после того, как проходят точку замерзания, то вода «сопротивляется» до последнего. И для начала затвердевания ей всегда нужны ядра кристаллизации — взвешенные частицы минерального или органического происхождения.Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США решили проверить, если таких частиц не будет, до какой температуры вода останется жидкой.Известно, что в облаках вода может присутствовать в виде переохлажденных капель даже при очень низких температурах, а потом, когда сверху, из более высоких и холодных слоев, в эти облака попадает мелкая ледяная пыль, капли моментально кристаллизуются и выпадают на землю в виде ледяной крупы или града.Ученые в лаборатории разрушили лазером тонкую ледяную пленку, создав переохлажденную жидкую воду, а затем с помощью инфракрасной спектроскопии отследили все мельчайшие этапы ее преобразований в интервале температур от 135 до 245 кельвинов — от минус 138 до минус 28 градусов Цельсия.На «стоп-кадрах» фазовых состояний ученые увидели, что при переохлаждении вода конденсируется в плотную жидкую фазу, которая продолжает сосуществовать с обычной жидкой фазой. При этом доля жидкости с высокой плотностью быстро уменьшается при повышении температуры от 190 до 245 кельвинов.»Мы показали, что жидкая вода при очень низких температурах не только относительно стабильна, но и существует в двух структурных формах, — приводятся в пресс-релизе слова одного из авторов исследования Грега Киммела (Greg Kimmel). — Полученные данные позволяют разрешить давний спор о том, всегда ли глубоко переохлажденная вода кристаллизуется, прежде чем она уравновесится. Ответ — нет».Авторы впервые экспериментально доказали, что переохлажденная вода может находиться в стабильном двухфазном жидко-жидком состоянии, а соотношение фаз варьирует в зависимости от температуры. Раньше считалось, что при переохлаждении вода неизбежно со временем переходит в твердое состояние.

https://ria.ru/20200909/kupraty-1576928543.html

https://ria.ru/20200914/nanodvigatel-1577227375.html

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e4/09/08/1576937903_0:0:2667:2000_1920x0_80_0_0_b69cb39fbe6de8a0d0f92e10ff64505b.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

открытия — риа наука, министерство энергетики сша, химия, физика

МОСКВА, 17 сен — РИА Новости. Переохлажденная вода — это две жидкости в одной. К такому выводу пришли американские исследователи после проведения первых в истории измерений жидкой воды при температурах намного ниже ее обычной точки замерзания. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Несмотря на чрезвычайно широкую распространенность, вода как химическое вещество до сих до конца не изучена. Ученые иногда называют ее самой загадочной субстанцией на Земле.

Дело в том, что вода не похожа на другие жидкости — при замерзании она расширяется, а не сжимается, как все остальные, ее плотность при этом уменьшается. Поэтому водяной лед не тонет, а плавает на поверхности. У воды высокая температура кипения и она прекрасный растворитель, поэтому в ней, при различных условиях, растворяется большинство органических и неорганических веществ. И, наконец, у нее огромный коэффициент поверхностного натяжения. Благодаря всем этим уникальным свойствам вода стала основой жизни на Земле.

Есть у воды еще одно интересное качество — она очень «неохотно» замерзает. Если другие жидкости начинают переходить в твердое состояние постепенно, сразу после того, как проходят точку замерзания, то вода «сопротивляется» до последнего. И для начала затвердевания ей всегда нужны ядра кристаллизации — взвешенные частицы минерального или органического происхождения.

Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США решили проверить, если таких частиц не будет, до какой температуры вода останется жидкой.9 сентября 2020, 08:00НаукаЗагадка «странных металлов». Ученые открыли новое состояние вещества

Известно, что в облаках вода может присутствовать в виде переохлажденных капель даже при очень низких температурах, а потом, когда сверху, из более высоких и холодных слоев, в эти облака попадает мелкая ледяная пыль, капли моментально кристаллизуются и выпадают на землю в виде ледяной крупы или града.

Ученые в лаборатории разрушили лазером тонкую ледяную пленку, создав переохлажденную жидкую воду, а затем с помощью инфракрасной спектроскопии отследили все мельчайшие этапы ее преобразований в интервале температур от 135 до 245 кельвинов — от минус 138 до минус 28 градусов Цельсия.

На «стоп-кадрах» фазовых состояний ученые увидели, что при переохлаждении вода конденсируется в плотную жидкую фазу, которая продолжает сосуществовать с обычной жидкой фазой. При этом доля жидкости с высокой плотностью быстро уменьшается при повышении температуры от 190 до 245 кельвинов.

«Мы показали, что жидкая вода при очень низких температурах не только относительно стабильна, но и существует в двух структурных формах, — приводятся в пресс-релизе слова одного из авторов исследования Грега Киммела (Greg Kimmel). — Полученные данные позволяют разрешить давний спор о том, всегда ли глубоко переохлажденная вода кристаллизуется, прежде чем она уравновесится. Ответ — нет».

Авторы впервые экспериментально доказали, что переохлажденная вода может находиться в стабильном двухфазном жидко-жидком состоянии, а соотношение фаз варьирует в зависимости от температуры. Раньше считалось, что при переохлаждении вода неизбежно со временем переходит в твердое состояние.

14 сентября 2020, 18:02НаукаУченые создали нанодвигатель на воде

Почему вода превращается в лед

Джессика Хуа
| pressconnects.com

ВОПРОС: Как вода замерзает в лед?

ОТВЕТ: Чтобы понять, как вода превращается в лед, нам сначала нужно подумать о молекуле воды.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Атомы водорода и кислорода разных молекул воды притягиваются друг к другу, поэтому они будут прилипать друг к другу, образуя связи.

Однако, если бы мы могли увеличить масштаб, мы бы заметили, что молекулы воды всегда движутся и подпрыгивают.В результате связи между атомами водорода и кислорода различных молекул воды постоянно нарушаются и преобразуются.

Когда тепло, молекулы воды движутся и подпрыгивают очень быстро. Однако, когда становится холоднее, молекулы воды замедляются, и в результате связи между водородом и кислородом реже разрываются и становятся более стабильными. Когда это происходит, молекулы воды начинают распространяться (вы можете представить, что молекулы стоят на расстоянии вытянутой руки друг от друга).

Когда становится достаточно холодно (около 32 градусов по Фаренгейту), расширяющиеся молекулы воды начинают формировать кристаллы льда. Это распространение молекул воды при замерзании — вот почему иногда бутылка, полная воды, разбивается, когда вы ее замораживаете.

Тот факт, что вода при замерзании расширяется, также очень важен для жизни на Земле. Поскольку он расширяется, лед занимает больше места, чем вода (он менее плотный). Это заставляет лед плавать на воде. Хотя это может быть трудно представить, этот слой льда на самом деле помогает рыбам, другим животным и растениям согреться в прудах и озерах зимой.Если бы не было льда, многие из этих организмов замерзли бы.

Итак, этой зимой, если вы наслаждаетесь активным отдыхом на свежем воздухе рядом с большими прудами или озерами, подумайте о том, как это чудесное свойство воды защищает водные растения и животных от холода.

Познакомьтесь с учеником

Имя: Брэди ДеАнджело
Оценка: Второй.
Школа: Начальная школа Порт Дикинсон, Центральный школьный округ долины Ченанго.
Учитель: ГоспожаБернс.
Хобби: Хождение в бассейн, рисование, переодевание и игра в Шопкинс.
Карьерный интерес: Ветеринар.

Познакомьтесь с ученым

Ответил: Джессика Хуа.
Название: Доцент кафедры экотоксикологии Бингемтонского университета.
Направление исследований: Экология, эволюция, экотоксикология.
Интересы / хобби: Баскетбол, походы, чтение.

Спроси ученого проходит по воскресеньям.На вопросы отвечают преподаватели Бингемтонского университета. Учителей в районе Большого Бингемтона, желающих участвовать в программе, просят написать по адресу Ask a Scientist, через Университет Бингемтона, Управление коммуникаций и маркетинга, PO Box 6000, Binghamton, NY 13902-6000, или по электронной почте ученому. @ binghamton.edu. Для получения дополнительной информации посетите binghamton.edu/mpr/ask-a-scientist/.

физическая химия — Почему вода расширяется при замерзании?

физическая химия — Почему вода расширяется при замерзании? — Обмен физическими стеками

Сеть обмена стеком

Сеть Stack Exchange состоит из 178 сообществ вопросов и ответов, включая Stack Overflow, крупнейшее и пользующееся наибольшим доверием онлайн-сообщество, где разработчики могут учиться, делиться своими знаниями и строить свою карьеру.

Посетить Stack Exchange

2. 0

3. +0

6. Авторизоваться
   Подписаться

Physics Stack Exchange — это сайт вопросов и ответов для активных исследователей, ученых и студентов-физиков.Регистрация займет всего минуту.

Зарегистрируйтесь, чтобы присоединиться к этому сообществу

Кто угодно может задать вопрос

Кто угодно может ответить

Лучшие ответы голосуются и поднимаются наверх

Спросил
6 лет, 5 мес. Назад

Просмотрено
753 раза

$ \ begingroup $

На этот вопрос уже есть ответы :

Закрыт 6 лет назад.

Я уверен, что это основной вопрос для большинства из вас, но меня это действительно озадачивает:

Как так получилось, что, хотя все материалы расширяются при нагревании и сжимаются (возможно, это неправильные термины) при охлаждении, вода расширяется при замерзании.

Большое спасибо.

задан 13 мая ’15 в 14: 492015-05-13 14:49

$ \ endgroup $

2

$ \ begingroup $

Расширение при замерзании происходит из-за того, что вода кристаллизуется в открытую гексагональную форму.Эта гексагональная решетка содержит больше места, чем жидкое состояние.

Создан 13 мая 2015, 14:54.

Автолатрия

59933 серебряных знака55 бронзовых знаков

$ \ endgroup $

2

Physics Stack Exchange лучше всего работает с включенным JavaScript

Ваша конфиденциальность

Нажимая «Принять все файлы cookie», вы соглашаетесь, что Stack Exchange может хранить файлы cookie на вашем устройстве и раскрывать информацию в соответствии с нашей Политикой в ​​отношении файлов cookie.

Принимать все файлы cookie

Настроить параметры

Замерзающая вода постоянного объема и в замкнутом объеме

T — V Фазовая диаграмма на основе свободной энергии Гельмгольца

Фазовые диаграммы построены путем проецирования фаз с наименьшей свободной энергией на оси естественных термодинамических переменных.Выбор естественных переменных определяет геометрию поверхностей свободной энергии и, таким образом, поведение сосуществования фаз в результирующей фазовой диаграмме.

Чтобы однородное однофазное вещество было стабильным, его внутренняя энергетическая поверхность U должна быть положительно определенной; ∂ ² U / ∂ X ² > 0, где X — обширные термодинамические переменные X = S (энтропия), V (объем), N (частица номер) и так далее.Когда использовать обширную естественную переменную неудобно, новый термодинамический потенциал может быть построен с интенсивными естественными переменными, Y = T (температура), P (давление), μ (химический потенциал), и так далее, преобразованием Лежандра экстенсивной переменной относительно ее интенсивного сопряженного, U — ( ∂U / ∂X ) X = U — YX ²³ . После преобразования Лежандра кривизна поверхности свободной энергии становится вогнутой вниз в соответствующей интенсивной термодинамической переменной (ых) ²⁴ , или иным образом сохраняет выпуклую кривизну U в обширной (ых) переменной (ых) ²⁵ .

Потенциал Гиббса имеет интенсивные естественные переменные температуры и давления, поэтому поверхности свободной энергии Гиббса вогнуты вниз как в T , так и в P . Проекция фазы с наименьшей свободной энергией Гиббса на оси температуры и давления восстанавливает стандартную фазовую диаграмму T – P , как показано для H ₂ O на рис. 1a, построенную с использованием термодинамических данных Международной ассоциации свойств. воды и пара (IAPWS) ^26,27 .Для однокомпонентной системы, такой как H ₂ O, сосуществование фаз регулируется пересечением этих вогнутых вниз поверхностей свободной энергии, что приводит к одномерной (1D) линии сосуществования фаз в T — Самолет П .

Рис. 1: Поверхности свободной энергии воды и льда-1h при различных термодинамических граничных условиях.

a Поверхности свободной энергии Гиббса воды и льда-1h в системе с естественными переменными температурой и давлением.Проекция фазы с наименьшей свободной энергией на плоскость температура – ​​давление дает стандартную фазовую диаграмму T — P (температура – ​​давление) для воды. b Поверхности свободной энергии Гельмгольца воды и льда-1h в системе с естественными переменными температурой и удельным объемом. Общие касательные между фазами определяют диапазон, в котором двухфазная смесь в равновесии будет производить наименьшую свободную энергию системы. Наклон общей касательной, ∂F / ∂V , дает равновесное давление в системе. c T — V (температура – ​​объем) фазовая диаграмма для воды и льда-1h. d Фазовая доля льда-1h как функция температуры при различных объемах, характерных для системы, в изохорной системе.

Однако в изохорной системе естественными переменными должны быть температура и объем, а не давление, что соответствует термодинамическому потенциалу Гельмгольца, F . Мы можем построить F ( T , V ) для воды и льда-1h с помощью преобразования Лежандра данных свободной энергии Гиббса как:

$$ F (T, V) = G (T, P ( V)) — PV.$$

(1)

Поскольку V обширный, а T интенсивный, F выпуклый по объему (∂ ² F / ∂V ² > 0) и вогнутый вниз по температуре.

Выпуклость свободной энергии Гельмгольца как функции объема коренным образом меняет характер сосуществования фаз в пространстве T – V . Самая низкая огибающая свободной энергии теперь включает в себя касательные линии между выпуклыми кривыми F _воды ( V ) и F _льда ( V ), которые обозначают область двумерного двухфазного равновесия, в отличие от одномерной линии сосуществования фаз.Гиббс назвал эти касательные «линиями рассеянной энергии» ²⁸ , вдоль которых однофазное однородное вещество может уменьшить свою свободную энергию, образуя гетерогенную смесь двух фаз. Эти касательные аналогичны тем, которые используются при построении выпуклой оболочки бинарных эвтектических фазовых диаграмм, которые построены на основе свободной энергии Гиббса, G ( T , x ) ²⁹ . Выпуклая конструкция корпуса может применяться как к G ( x ), так и к F ( V ), потому что и состав ( x ), и объем ( V) являются обширными переменными, и, следовательно, их свободными переменными. энергетические поверхности выпуклые.

Спроецируя выпуклую оболочку с наименьшей энергией, образованную поверхностями F _water и F _ice на рис. 1b, мы построим фазовую диаграмму T – V для воды, показанную на рис. 1c. . Насколько нам известно, об этой фазовой диаграмме ранее не сообщалось в литературе. Фазовая диаграмма воды T – V имеет область двухфазного равновесия, где равновесная фазовая доля может быть определена с помощью правила Левера, таким же образом, как для бинарных эвтектических фазовых диаграмм T – x ²⁹ .Для справки читателя, фазовая доля как функция температуры и удельного объема системы показана на рис. 1d.

При заданной температуре наклон этих касательных (∂ F / ∂ V ) _T обеспечивает давление, которое двухфазная смесь оказывает на емкость постоянного объема. Отметим эти изоклины давления на фазовой диаграмме T – V на рис. 1в. Обратите внимание, что в области двухфазного равновесия касательные линии соединяют кривые свободной энергии воды и льда-1h, подразумевая, что вода и лед испытывают одинаковое давление, что действительно является требованием для механического равновесия.

Физические мотивы теории изохорного зародышеобразования

Равновесная фазовая диаграмма T – V , представленная на рис. 1c, зависит от удельного объема ( v ), поскольку области сосуществования фаз определяют термодинамическое равновесие независимо от количества материала присутствует. Далее мы покажем, что кинетика зародышеобразования в изохорных системах дополнительно зависит от абсолютного объема ( V ) контейнера системы, и мы используем обе зависимости для вывода изохорной теории зародышеобразования льда.

Рассмотрим процесс изохорного замораживания, в котором закрытый контейнер фиксированного объема, заполненный чистой водой, доводится ниже 0 ° C до метастабильного переохлажденного состояния (рис. 2a). Прежде чем лед образуется, переохлажденная вода будет испытывать некоторое давление P ₁ , которое определяется наклоном касательной ∂ F _вода / ∂ v при удельном объеме емкости, как указано на рис. 2б. Когда лед-1h зарождается, возникающее ядро ​​будет оказывать дополнительное давление на воду и контейнер, а поскольку общий объем системы не может измениться, контейнер будет оказывать равное и противоположное давление на воду и ледяное ядро ​​(рис.2в). Это уменьшает удельный объем льда и воды и увеличивает их удельную свободную энергию в соответствии с кривыми F ( v ), показанными на рис. 2b. Мы называем энергию, необходимую для повышения давления в системе и уплотнения начальной жидкой фазы, «изохорическим штрафом роста», который можно интерпретировать как энергетический штраф, который твердая фаза должна заплатить, чтобы расти в системе ограниченных абсолютных и удельный объем.

Рис. 2: Концептуальная формулировка процесса зародышеобразования в изохорной системе.

a Начальное состояние системы, при котором содержимое полностью жидкое. В этом состоянии абсолютный объем v и удельный объем v системы по определению будут равны объему водной фазы, поскольку льда нет. b Параллельно касательная конструкция. Для появляющегося ледяного ядра абсолютного объема V _льда в системе абсолютного объема V _{системе} удельный объем и свободная энергия каждой фазы могут быть найдены путем определения точек на каждой кривой, которые удовлетворяют требованиям сохранения. массы системы, абсолютного объема и удельного объема, при построении касательных линий (∂ F / ∂ v) , которые параллельны друг другу, что указывает на непрерывность давления P во всей системе.В состоянии равновесия касательные линии двух фаз станут коллинеарными, и система будет испытывать равновесное давление P _{равновесие} . c Второе состояние системы, в котором конечная масса и объем системы теперь разделены между фазами воды и льда, обладающими разными абсолютными объемами ( V _лед , V _вода ) и удельными объемами. ( v _лед , v _вода ).Давление в системе увеличивается до P ₂ > P ₁ из-за расширения ядра льда. d Утверждение отношений сохранения, управляющих системой.

Интуитивно понятно, что величина этого штрафа должна варьироваться в зависимости от абсолютного объема системы; рост одного ледяного ядра, заключенного в океане, не вызовет заметного эффекта, но рост того же ядра в наноразмерном контейнере может значительно сжать оставшуюся воду.

Таким образом, давление в системе зависит от относительной фазовой доли выросшего льда. Поскольку вода и лед остаются в постоянном механическом равновесии, давление, испытываемое обеими фазами, будет одинаковым. Вспоминая, что давление в данной фазе при данном удельном объеме описывается наклоном линии, касательной к его кривой F ( v ) в этом объеме, это физическое ограничение можно проиллюстрировать «построением параллельной касательной» как показано на рис.2b, где удельные объемы и энергии каждой фазы для данной фракции фазы льда идентифицируются точками на кривых F ( v ) для воды и льда, которые дают параллельные касательные между фазами.

Использование этой параллельной касательной конструкции для отслеживания непрерывности давления между фазами аналогично касательной конструкции, первоначально использованной Гиббсом для описания непрерывности химического потенциала между фазами в бинарных системах при постоянной температуре и давлении ³⁰ .Во время роста льда в изохорной системе (и сопутствующего уплотнения обеих фаз) касательные линии будут оставаться параллельными, постепенно увеличивая наклон, пока две линии не сольются и не образуют общую касательную, которая отмечает показанное двухфазное состояние равновесия. 1 и представлено равновесное давление P _{равновесное} .

Математическая формулировка системы

В предыдущем разделе было установлено, что в изохорной системе удельные свободные энергии воды и льда не остаются постоянными в процессе зарождения и роста, а динамически смещаются вдоль их соответствующих F ( v ) | _T изгибается согласно построению параллельной касательной.Чтобы математически описать это поведение, необходимо выражение, связывающее удельные объемы (и, следовательно, свободные энергии) фаз как функцию роста ледяных зародышей.

Учитывая замкнутую изохорную систему, необходимо сохранить массу и объем

$$ m _ {{\ mathrm {system}}} = m _ {{\ mathrm {ice}}} + m _ {{\ mathrm {water}}} , $$

(2)

$$ V _ {{\ mathrm {system}}} = V _ {{\ mathrm {ice}}} + V _ {{\ mathrm {water}}}, $$

(3)

, что в дальнейшем подразумевает сохранение удельного объема.Однако отметим, что сохранение удельного объема не принимает форму v _{система} = v _лед + v _вода , как можно было бы ожидать, потому что объем, зависящий от системы, сам по себе не является изначально сохраненное количество; вместо этого он сохраняется как простое математическое следствие сохранения массы и объема системы и, таким образом, выглядит следующим образом:

$$ v _ {{\ mathrm {system}}} = \ frac {{V _ {{\ mathrm {system }}}}} {{m _ {{\ mathrm {system}}}}} = \ frac {{V _ {{\ mathrm {ice}}} + V _ {{\ mathrm {water}}}}} {{m_ {{\ mathrm {ice}}} + m _ {{\ mathrm {water}}}}}.$$

(4)

Требование равного давления во всей системе обеспечивает последнее ограничение. Используя параллельную касательную логику, давление льда и воды во время процесса неравновесного зародышеобразования можно отслеживать по кривым F — v по их производным:

$$ — \ left ({\ frac {{{ \ mathrm {d}} F _ {{\ mathrm {вода}}}}} {{{\ mathrm {d}} v}}} \ right) | _ {v _ {{\ mathrm {water}}}} = — \ left ({\ frac {{{\ mathrm {d}} F _ {{\ mathrm {ice}}}}}} {{{\ mathrm {d}} v}}} \ right) | v _ {{\ mathrm { лед}}}.$$

(5)

В дополнительном примечании 1 мы используем эти четыре ограничения для определения удельных объемов каждой фазы как функции объема ядра ( v _вода ( V _лед ), v _вода ( V _ice )) по координате реакции процесса зародышеобразования. Эти удельные объемы, таким образом, дают удельную свободную энергию как для воды, так и для льда, F _вода ( v _вода ( V _лед )), F _лед ( v _лед ( V _ice )) в зависимости от объема ледяного ядра, что позволяет получить барьер зародышеобразования.

Получение барьера изохорной нуклеации

Рассмотрим теперь два состояния, которые изохорная система может занимать (рис. 2a, c) при установленных физических ограничениях (рис. 2d). Для ясности мы будем описывать полную свободную энергию системы с переменной ∅, а удельные свободные энергии Гельмгольца каждой фазы как F _вода и F _лед . Индексы 1 и 2 будут использоваться для обозначения значений параметров в состояниях 1 и 2.

В Состоянии 1 вся система находится в жидкой фазе, и ее свободная энергия, таким образом, определяется выражением:

$$ \ emptyset _1 = F _ {{\ mathrm {water}} _ 1} m _ {{\ mathrm {system }}}, $$

(6)

, в котором \ (F _ {{\ mathrm {water}} _ 1} = F _ {{\ mathrm {water}}} \ left ({v _ {{\ mathrm {water}} _ 1} = v _ {{\ mathrm { system}}}} \ right) \). В Состоянии 2 образовалось ядро ​​льда-1h с абсолютным объемом V _{, лед} , разделив систему на две фазы с удельными объемами v _вода ( V _лед ) и v _лед ( В _лед ).Определение доли фазы льда в системе как

$$ f = \ frac {{m _ {{\ mathrm {ice}}}}} {{m _ {{\ mathrm {system}}}}} = \ frac {{ V _ {{\ mathrm {ice}}} v _ {{\ mathrm {system}}}}} {{v _ {{\ mathrm {ice}}} V _ {{\ mathrm {system}}}}} $$

(7)

и включает в себя стандартный член межфазной свободной энергии γ , который масштабируется с площадью поверхности ледяного ядра A _ice , полная свободная энергия состояния 2 определяется как:

$$ \ emptyset _2 = \ emptyset _1 + {\ mathrm {\ Delta}} \ emptyset = [F _ {{\ mathrm {вода}} _ 2} \ times \ left ({1 — f} \ right) + F _ {{\ mathrm {ice} } _2} \ times f] m _ {{\ mathrm {system}}} + \ gamma A _ {{\ mathrm {ice}}}, $$

(8)

, в котором \ (F _ {{\ mathrm {water}} _ 2} = F _ {{\ mathrm {water}}} \ left ({v _ {{\ mathrm {water}} _ 2} = v _ {{\ mathrm { вода}}} \ left ({V _ {{\ mathrm {ice}}}} \ right)} \ right) \) и \ (F _ {{\ mathrm {ice}} _ 2} = F _ {{\ mathrm {ice }}} \ left ({v _ {{\ mathrm {ice}} _ 2} = v _ {{\ mathrm {ice}}} \ left ({V _ {{\ mathrm {ice}}}}} \ right)} \ right ) \).Преобразуя эти уравнения и группируя конкретные члены свободной энергии по фазам, изменение свободной энергии Δ∅ при образовании ядра определяется как:

$$ {\ mathrm {\ Delta}} \ emptyset = \ emptyset _2 — \ emptyset _1 = \ left [{(F _ {\ mathrm {вода}} _ 2} — F _ {{\ mathrm {вода}} _ 1}) + (F _ {{\ mathrm {ice}} _ 2} — F _ {{\ mathrm {water}} _ 2}) f} \ right] m _ {{\ mathrm {system}}} + \ gamma A _ {{\ mathrm {ice}}}. $$

(9)

Два члена разности энергий в уравнении. (9) имеют отчетливое и значимое физическое значение.\ ((F _ {{\ mathrm {water}} _ 2} — F _ {{\ mathrm {water}} _ 1}) \) описывает «изохорный недостаток роста» или энергию, необходимую для создания давления в системе и уплотнения водной фазы. , которое должно обеспечивать возникающее ледяное ядро ​​для роста. Этот термин всегда будет положительным. \ ((F _ {{\ mathrm {ice}} _ 2} — F _ {{\ mathrm {water}} _ 2}) \), который всегда будет отрицательным, дает разность свободной энергии между фазами в их текущих конкретных объемы, взвешенные по фазовой доле f , чтобы уловить двухфазный характер равновесной системы.

Изменение свободной энергии, сопровождающее образование ледяного ядра в изохорной системе, таким образом, можно свести к следующему:

$$ {\ mathrm {\ Delta}} \ emptyset = \ left [{{\ mathrm {\ Delta}} F _ {{\ mathrm {isochoric}} \, {\ mathrm {growth}}} + {\ mathrm {\ Delta}} F _ {{\ mathrm {bulk}}} f} \ right] m _ {{\ mathrm {system}}} + \ gamma A _ {{\ mathrm {ice}}}. $$

(10)

Члены межфазной и объемной свободной энергии в уравнении. (10) примерно аналогичны тем, которые находятся в классической теории зародышеобразования; первый будет масштабироваться с площадью поверхности ядра в положительном направлении, второй — с его объемом или массой в отрицательном направлении.Однако важно отметить, что в формулировке Гиббса разница в объемной свободной энергии между водой и льдом считается постоянной, тогда как в изохорной системе она изменяется в зависимости от доли фазы льда, уменьшаясь по величине по мере того, как лед растет как отражение того факта, что конечным термодинамическим назначением системы является состояние двухфазного равновесия вода-лед, а не полное замерзание.

Член штрафа изохорного роста является уникальным для систем ограниченного объема и будет показан рядом, чтобы фундаментально изменить поведение зародышеобразования.

Кинетические эффекты изохорного ограничения

На рис. 3а мы изображаем полное изменение свободной энергии Δ∅ вместе с тремя отдельными энергетическими вкладами; межфазная энергия, объемная энергия и штраф изохорного роста. Наши расчеты для рис. 3а описывают одиночное ядро ​​льда-1h сферической геометрии в системе абсолютного объема V _s ~ 2 × 10 ⁻²² м ³ при температуре −4,15 ° C с предполагаемое соотношение межфазной свободной энергии ³¹ из γ = (28.0 + 0,25 T ) мДж м ⁻² (дополнительные параметры доступны в дополнительном примечании 2). На рис. 3b показаны дополнительные кривые Δ∅ для той же температуры, но различных абсолютных объемов системы В _с . Эти графики показывают фундаментальное различие между образованием льда при постоянном объеме и образованием льда при постоянном давлении: в классической формулировке Гиббса кривая Δ G (радиус) имеет одну критическую точку, а в изохорной системе есть две критические точки.

Рис. 3: Кинетика нуклеации в изохорных системах.

a Изменение полной свободной энергии Δ∅, сопровождающее образование сферического ядра льда-1h, как функция радиуса. Компоненты межфазной границы, изохорного роста и объемной свободной энергии, вносящие вклад в общую, представлены независимо друг от друга. b Δ∅ кривые для различных абсолютных объемов системы. Предел Гиббса дает поведение системы в пределе бесконечного объема системы, а предел Гельмгольца — в критическом объеме системы, при котором кривая свободной энергии начинает монотонно расти. c Критический радиус как функция объема системы для различных температур, с отмеченными критическими объемами системы. d Фазовая диаграмма, отображающая критический объем системы как функцию температуры. В режиме с преобладанием кинетики все кривые Δ∅ будут монотонно возрастать, и, следовательно, не будет кинетического пути к зародышеобразованию.

Классически критическая точка кривой свободной энергии является максимумом и определяет барьер зародышеобразования или энергетический барьер, после которого продолжающийся рост льда будет понижать свободную энергию системы на неопределенное время, пока вся фаза полностью не изменится.Однако в изохорическом случае рост льда не является неопределенным — он должен прекратиться при достижении равновесной доли фаз в соответствии с фазовой диаграммой T – V (рис. 1c, d). Это ограничение кинетически фиксируется членом изохорного роста, и, таким образом, кривые Δ∅ могут иметь две критические точки: первая — это максимум, при котором объемная движущая сила для фазового перехода преодолевает штраф за формирование новой границы раздела фаз, а вторая — минимум, при котором энергия изохорного роста преодолевает объемную движущую силу.

Важно отметить, что поскольку член изохорного роста является функцией абсолютного объема системы (в масштабе V _ice / V _sys ), его вклад исчезает на пределе бесконечного объема, что согласуется с интуицией. В этом случае, который мы обозначим пределом Гиббса на рис. 3b, кривая свободной энергии Δ∅ будет идентична кривой, полученной с использованием классической формулировки Гиббса, с только начальным максимумом.

И наоборот, по мере уменьшения объема системы относительный вклад члена изохорного роста увеличивается, вводя как вторую критическую точку (соответствующую ограничению доли фазы), так и увеличивая критический радиус зародышевого барьера.Это увеличение показано на рис. 3c, как функция абсолютного объема системы для различных температур ниже нуля. Обратите внимание, что при температурах, близких к точке замерзания, влияние ограничения объема на изохорное зародышеобразование может быть значительным даже при относительно больших объемах системы — порядка микрон.

Наш вывод далее показывает существование дискретного абсолютного объема системы, который мы называем критическим объемом удержания, ниже которого вторая критическая точка достигнет энергии, равной первой, стирая точку перегиба между ними и давая зародыш свободного. кривая энергии, которая монотонно увеличивается с радиусом.Типичная кривая свободной энергии при этом абсолютном пороге объема обозначена как предел Гельмгольца на рис. 3b. Эти критические ограничительные объемы также отмечены на кривых критического радиуса на рис. 3с, указывая объем системы, при котором критический радиус зародышеобразования станет бесконечным. Эти критические объемы системы затем строятся независимо от температуры на рис. 3d, в результате чего получается «кинетическая фазовая диаграмма» для замерзания воды в ограниченных объемах. Наша кинетическая фазовая диаграмма показывает уникальное значение для систем постоянного объема: существует объемный режим, в котором зарождение льда-1h из переохлажденного жидкого состояния кинетически невозможно.

Примечательно, что существование льда в этом режиме не запрещено термодинамически — сравнивая рис. 3c с рис. 1d, можно видеть, что эти критические объемы зародышей льда на порядки меньше, чем предел равновесной доли фазы. Эти результаты показывают, что лед теоретически может существовать при таких объемах системы (например, если кристалл льда был искусственно засеян в системе, а объем затем ограничен), но у переохлажденной воды просто нет кинетического пути к замерзанию в достаточно ограниченной изохорной системе. .

Почему вода расширяется при замерзании?

Почему вода расширяется при замерзании?

Вода расширяется при замерзании из-за молекулярной структуры воды. Когда вода замерзает, молекулы образуют сеть водородных связей или процесс, называемый водородными связями. Эти водородные связи имеют уникальную структуру, в которой два атома кислорода и один атом водорода образуют одну линию.

Хотя замороженная вода считается затвердевшей, она также имеет очень открытую кристаллическую структуру с большим количеством пространств внутри, что делает ее менее плотной, чем у большинства твердых веществ и даже некоторых жидкостей, таких как жидкая вода.

Именно из-за этой кристаллической структуры после достижения точки замерзания вода расширяется примерно на девять процентов.

Как замерзает вода?

Как упоминалось ранее, вода замерзает в затвердевшем состоянии из-за перестройки молекул воды из прямой линии в трехмерную структуру.

Но как он попадает в эту точку из жидкого состояния? Когда температура опускается по крайней мере до четырех градусов Цельсия или тридцати девяти целых два десятых градуса по Фаренгейту, молекулы воды начинают приближаться друг к другу.Фактически, они максимально плотно упакованы, когда температура воды составляет четыре градуса по Цельсию.

Дополнительные факты о замороженной воде

Кристаллическая структура льда, в которой атомы образуют трехмерную структуру, называется тетраэдром. По сути, это структура, в которой молекулы воды находятся в повторяющемся расположении из восьми молекул воды.

Вода имеет молекулярную массу восемнадцать, что очень мало и может считаться газом, когда вода имеет комнатную температуру.

Недавнее исследование показало, что, хотя это общепризнанный факт, что вода замерзает при температуре 0 градусов Цельсия, вода также может не замерзать, а просто оставаться очень холодной, когда она имеет температуру минус сорок градусов Цельсия, из-за влияние электрических полей на температуру замерзания переохлажденной воды.

Почему при замерзании вода расширяется? — AnswersToAll

Почему при замерзании вода расширяется?

Расширение при замерзании происходит из-за того, что вода кристаллизуется в открытую гексагональную форму.Эта гексагональная решетка содержит больше места, чем жидкое состояние.

Почему h3o при зависании расширяется?

Во время замерзания молекулы воды теряют энергию и не вибрируют и не двигаются так сильно. Это позволяет образовывать более стабильные водородные связи между молекулами воды, поскольку для разрыва связей остается меньше энергии. Таким образом, вода при замерзании расширяется, и лед плавает над водой.

Вода расширяется?

Вода — необычная жидкость и обладает уникальными свойствами, но она не ведет себя прямо противоположно другим жидкостям.Вода действительно расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении, но не при всех температурах. Когда вода охлаждается с 4 до 0 градусов по Цельсию, она расширяется, поскольку кристаллизуется в лед.

Как называется замерзание воды?

Лед — это общее название замороженной воды. Жидкая вода превращается в твердый лед, когда она очень холодная. Температура замерзания составляет 0 ° по Цельсию (32 ° по Фаренгейту или 273 кельвина).

Какие есть методы замораживания?

Замораживание

• Консервирование.
• Холодильное оборудование.
• Горение морозильной камеры.
• Индивидуально быстрозамороженный способ.
• Туннельный морозильник с воздушным дутьем.
• Ленточный морозильник.
• Морозильная камера с псевдоожиженным слоем.
• Морозильная плита.

Какие жидкости расширяют замораживание?

Другими известными примерами химикатов, которые расширяются при замораживании, являются: Уксусная кислота, висмут и галлий.

Расширяется ли уксус при замораживании?

Перелейте уксус в безопасный для морозильной камеры прочный контейнер, который будет хорошо запечатываться и не протечет и не потрескается в морозильной камере.Обязательно оставьте в контейнере 1-2 дюйма свободного пространства, так как жидкости расширяются при замерзании.

Расширяется ли что-нибудь кроме воды при замерзании?

На самом деле, большинство жидкостей при замерзании не расширяются / не расширяются. Фактически, большинство жидкостей теряют объем при замерзании. Из-за формы молекулы воды и углов, которые она образует при связывании, твердая форма воды фактически занимает больше места, чем жидкость.

Расширяется ли молоко при замораживании?

Молоко расширяется при замерзании, поэтому этот шаг имеет решающее значение, чтобы избежать неприятного беспорядка в морозильной камере! Кроме того, не замораживайте молоко в стеклянной посуде, так как оно может треснуть или расколоться.

Как долго хранится замороженное молоко?

6 месяцев

Почему при замерзании вода расширяется?

Почему вода расширяется при замерзании? Прочтите, чтобы узнать ответ.

Вода — полярная молекула

Вода — полярная молекула. Каждый атом в периодической таблице имеет характеристику, называемую электроотрицательностью, или тенденцией этого атома притягивать электроны.

Атомы в воде связаны ковалентной связью, что означает, что два атома водорода и один кислород имеют общие пары электронов (в отличие от ионной связи, когда электроны полностью передаются от одного атома другому).

Однако они не распределяются поровну. Поскольку кислород более электроотрицателен, чем водород, электроны, как правило, проводят больше времени рядом с атомом кислорода, чем с атомами водорода. Это приводит к полярной ковалентной связи, где один полюс молекулы слегка положителен (атомы водорода), а один полюс слегка отрицателен (кислород).

Из-за своей полярности вода образует связи между собой, называемые водородными связями. Слегка положительные области одной молекулы и слегка отрицательные области другой притягиваются друг к другу.Водородные связи очень слабые, но их огромное количество, поэтому в целом они крепкие. Теперь давайте посмотрим, как это помогает ответить на вопрос, почему вода расширяется при замерзании.

Почему при замерзании вода расширяется?

Твердое состояние воды — лед — уникально. Это единственное вещество, которое расширяется при замерзании. Обычно при охлаждении вещество становится более плотным. Его частицы теряют кинетическую энергию и не могут сопротивляться естественному притяжению друг к другу. При замерзании они плотно упаковываются в кристаллы, которые намного плотнее, чем то же самое вещество в жидкой форме.

Жидкая вода — это частично упорядоченная структура, в которой молекулы связаны друг с другом водородными связями, но эти связи постоянно разрушаются и образуются.

По мере охлаждения вода действительно становится плотнее, достигая максимальной плотности примерно при 4 ^o C. Однако в этот момент молекулы начинают ориентироваться в очень жесткой решетчатой ​​структуре, удерживаемой вместе водородными связями. Образующиеся кристаллы имеют гексагональную форму, поэтому между молекулами воды остается больше места, чем в жидкой воде.Встречаются и другие формы льда, более плотные, чем вода, но они не образуются в естественных условиях.

Таким образом, вода расширяется, когда она замерзает, и лед плавает по воде. Это приводит к замерзанию больших водоемов, таких как озера и реки, сверху вниз и редко насквозь, поскольку лед наверху изолирует воду под ними. Живые существа могут выжить подо льдом зимой и в ледниковые периоды.

См. Также:

Ледяной эксперимент ›Приколы (ABC Science)

Ученый-серфингист ›Трюки

Все знают, что лед на воде плавает, но нормально ли это? Если вы киваете или просто пожимаете плечами, возьмите немного оливкового масла и форму для льда, потому что вас ждет сюрприз.

Рубен Меерман

Вода и масло (Источник: Surfing Scientist)

Не видите видео? Загрузите версию этого видео в формате mp4 [8,54 МБ].