Почему вода не замерзает под слоем льда?

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.

Проницаемость материалов для воды

Проницаемость материалов для воды описывает способность воды проникать через материалы. Она играет важную роль во многих областях, таких как строительство, медицина, производство упаковок и т. д. Знание проницаемости материалов позволяет контролировать движение воды и предотвращать проникновение влаги туда, где это нежелательно.

Проницаемость материалов зависит от их структуры и свойств. Некоторые материалы могут быть абсолютно непроницаемыми для воды, в то время как другие могут пропускать воду с разной скоростью. Свойства, такие как пористость, плотность, толщина и химический состав материала, определяют его проницаемость.

Одним из показателей проницаемости материалов является коэффициент проницаемости, который измеряет скорость проникновения воды через материал. Коэффициент проницаемости может быть выражен в различных единицах измерения, таких как литр воды, проходящей через квадратный метр материала в течение секунды, или миллиметр водного столба, пройденного через материал за определенное время.

Различные материалы имеют различные коэффициенты проницаемости. Например, бетон имеет обычно низкую проницаемость, что делает его популярным в строительстве стен и фундаментов. Однако некоторые материалы, такие как глина или глинистая почва, могут быть очень проницаемыми для воды.

Контроль проницаемости материалов позволяет решать ряд проблем, связанных с водой. Например, нарушение проницаемости кровельных материалов может привести к проникновению влаги и образованию течей в жилых и промышленных зданиях. Также контроль проницаемости используется в медицине для создания гидрофибровых оплесней и повязок, которые могут пропускать воздух и воду, но не пропускать бактерии и другие микроорганизмы.

Исследования в области проницаемости материалов для воды имеют большое значение для разработки новых материалов и технологий. Понимание механизмов проникновения воды может помочь в разработке более эффективных материалов, которые пропускают воду только в нужных количествах или могут полностью исключать проникновение влаги.

Как увидеть невидимое?

Современная наука гласит, что атомы являются строительными блоками всего существующего. Но вряд ли такое объяснение устроит всех, ведь если атомы существуют, значит их можно увидеть. Но как? На первый взгляд может показаться, что существует простой способ доказать существование атомов: достаточно поместить их под микроскоп. Но такой подход не сработает. На самом деле, даже самые мощные микроскопы не могут визуализировать отдельные атомы.

Напомним, что увидеть тот или иной объект можно благодаря тому, как он отклоняет видимые световые волны. А вот атомы остаются для нас невидимыми, при этом они оказывают заметное влияние на некоторые вещи. Так, сотни лет назад, в 1785 году, голландский ученый Ян Ингенхуз изучал странное явление, в котором он не мог до конца разобраться: мельчайшие частицы угольной пыли метались по поверхности спирта в его лаборатории.

Примерно 50 лет спустя, в 1827 году, шотландский ботаник Роберт Браун описал нечто похожее, когда направил микроскоп на пыльцевые зерна. Браун заметил, что некоторые зерна выделяют крошечные частицы, которые затем удаляются от пыльцевого зерна в случайном дрожащем танце. Сначала ученый задался вопросом, действительно ли эти частицы были каким-то неизвестным организмом. Он повторил эксперимент с другими веществами, такими как каменная пыль, которая, как он знал, не была живой и снова увидел то же самое странное движение.

Специфический тип движения, который обнаружил Роберт Браун сегодня называется в его честь – броуновское движение. Термин подразумевает беспорядочное движение микроскопических видимых взвешенных частиц твердого вещества в жидкости или газе, вызываемое тепловым движением частиц жидкости или газа.

Поиски объяснения продолжались до тех пор, пока Альберт Эйнштейн не предположил, что частицы пыльцевых зерен перемещались, потому что постоянно сталкивались с миллионами мельчайших молекул воды – молекул, состоящих из атомов. К 1908 году наблюдения, подкрепленные расчетами, подтвердили реальность атомов. А еще через десять лет, разделяя отдельные атомы, физики начали понимать внутреннюю структуру этих мельчайших частиц.

Различие в замерзании воска и воды

Как показывают опыты, поверхность ледяного кубика образует некую выпуклость. Это происходит из-за того, что застывание в его середине происходит в последнюю очередь. А расширяясь во время перехода в твёрдое состояние, эта выпуклость ещё больше поднимается. Противопоставить этому можно застывание воска, который, наоборот, образует углубление. Это объясняется тем, что воск после перехода в твёрдое состояние сжимается. Жидкости, которые равномерно сжимаются при промерзании, образуют несколько вогнутую поверхность.

Для замерзания воды недостаточно охладить её до точки замерзания в 0 ºС, необходимо эту температуру поддерживать за счет постоянного охлаждения.

Значение в природе

Тот факт, что лёд плавает на поверхности водоёмов, играет важную роль в природе. Если бы вода не обладала данным свойством и лёд погружался на дно, это привело бы к промерзанию всего водоёма и, как следствие, гибели населяющих его живых организмов.

Когда наступает похолодание, сначала при температуре выше +4 ºС более холодная вода с поверхности водоёма опускается вниз, а тёплая (более лёгкая), поднимается вверх. Этот процесс называется вертикальная циркуляция (перемешивание) воды. Когда же во всём водоёме устанавливается +4 ºС, этот процесс приостанавливается, так как с поверхности вода уже при +3 ºС становится легче той, что находится ниже. Происходит расширение воды (её объём увеличивается приблизительно на 10 %) и уменьшение её плотности. Как следствие того, что более холодный слой оказывается сверху, на поверхности происходит замерзание воды и появление ледяного покрова. Вследствие своей кристаллической структуры лёд обладает плохой теплопроводностью, т. е. сдерживает тепло. Слой льда выступает своеобразным теплоизолятором. И вода, находящаяся подо льдом, сохраняет своё тепло. Благодаря теплоизоляционным свойствам льда, передача «холода» в нижние слои воды резко уменьшается

Поэтому у дна водоёма почти всегда остаётся хотя бы тонкий слой воды, что чрезвычайно важно для жизнедеятельности его обитателей

Таким образом, +4 ºС — температура максимальной плотности воды — это и есть температура выживания в водоёме живых организмов.

Молекулярная структура

Вода — это молекула, состоящая из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Молекулы воды образуются благодаря совместной электронной паре, которая обеспечивает связь между атомами кислорода и водорода. Эта связь называется ковалентной.

Именно эта ковалентная связь в молекуле воды определяет ее особенности, включая ее способность быть мокрой. Поскольку каждый атом водорода в молекуле воды образует ковалентную связь с атомом кислорода, они приобретают некоторые сильные электростатические связи между собой.

Из-за электронной пары и электростатических сил, молекулы воды становятся полюсными, что означает, что они имеют разделение заряда. Кислородный атом тяготеет к электронам и привлекает их ближе к себе, тогда как атомы водорода оставляются с меньшим количеством электронов. Это создает небольшое отрицательное зарядное поле в области кислородного атома и небольшое положительное зарядное поле в области атомов водорода.

Эти полюсные свойства молекул воды позволяют им взаимодействовать с другими молекулами и поверхностями. Когда молекулы воды вступают в контакт с другой поверхностью, они образуют водородные связи, которые помогают им «прилипнуть» к этой поверхности. Это объясняет, почему вода обладает свойством быть мокрой, так как она легко распространяется и адсорбируется на различных поверхностях.

Также стоит отметить, что молекулярная структура воды отвечает за множество других свойств воды, таких как ее высокая теплоемкость и теплопроводность, а также ее способность растворять различные вещества, что делает ее важным веществом для жизни на Земле.

Физические опыты. Тайна мороженого. Какая вода замерзнет быстрее? Мороз, а лёд плавится!

Подробности: Обновлено 10.07.2018 13:20; Просмотров: 477

Тайна мороженого

Когда впервые появилось мороженое, способ его приготовления охранялся как строжайший секрет.
Напрасно при многих европейских дворах пытались использовать снег или лед для замораживания смеси из сливок, сахара и фруктовых соков.
Смесь охлаждалась, но не замерзала. Пришлось прибегнуть к средству, которое мы теперь называем промышленным шпионажем.
Что же выяснилось?
Все дело в обычной соли. Чаще всего для охлаждения используют обыкновенную пищевую соль.
Но подойдут и более редкие вещества: KCl, NaNO3.
Чемпионом по понижению температуры оказалась соль CaCl2.
Смешав 42 г этой соли со 100 г истолченного льда, можно получить температуру – 55 градусов Цельсия.
Обойдемся без холодильника, или сделаем мороженое сами!
Опыт по понижению температуры смеси:
Возьмите снег или растолченный лед, положите его в полиэтиленовый пакет и постепенно добавляйте к ним соль, перемешивая смесь.

Оказывается температуру такой смеси можно понизить до -20 градусов Цельсия!
Приятно, но не обязательно, если опыт будет сопровождаться приготовлением мороженого!
Для этого в пакет со льдом и солью вставьте второй закрытый полиэтиленовый пакет, куда уже положена другая сладкая смесь из сливок, сахара и т.д.
А каковы результаты ваших опытов?
Попробуйте объяснить, почему мороженое замерзло.

Какая вода замерзнет быстрее?

В холодных странах хорошо известно, что горячая вода, выставленная в мороз на улицу, замерзает скорее, чем холодная.
Возможно, вам это покажется вздором, однако это отнюдь не бабушкины сказки.
Попытайтесь это явление объяснить!
Наполните несколько сосудов различной формы теплой и холодной водой и поставьте их в холодный морозный день за окно.
В качестве сосудов возьмите бутылки с узким горлышками и банки с широким горлом.Не удивляйтесь, если в каком либо из сосудов теплая вода замерзнет раньше, чем холодная, а попытайтесь объяснить, почему?

Мороз, а лёд плавится!

Заполните водой небольшую коробочку (приблизительно 70 х 50 х 20 мм).
Вырежьте из картонки крышку так, чтобы её края чуть-чуть выходили за коробку.
В центре крышки прочертите окружность диаметром , немного меньшим ширины коробки.
По окружности на равном расстоянии строго вертикально воткните три одинаковые иголки так, чтобы ушками они касались дна коробочки, а крышка при этом лежала на коробке.
Поставьте коробку на мороз, чтобы вода в ней замерзла.
Итак, иголки вмерзли вертикально в воду.
Теперь осторожно снимите крышку, положите на иголки какую-нибудь пластину (кусок) льда, сверху на этот лед поставьте груз, и снова на мороз на целые сутки!
И что мы видим?
Лед опустился до коробочки!
Под давлением лед плавится даже при отрицательной температуре, и иголки проходят насквозь!

Следующая страница «Сделаем радугу. Зеркало, которое не путает. Микроскоп из капли воды»

Назад в раздел «Простые опыты»

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.

Свойства воды

Вода является одним из самых уникальных и удивительных веществ в природе. Она обладает рядом особенных свойств, которые делают ее непохожей на любые другие вещества.

1. Полярность

Одной из основных особенностей воды является ее полярность. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, при этом атомы кислорода имеют более высокую электроотрицательность, чем атомы водорода. Из-за этой разницы в электроотрицательности, кислородный атом притягивает электроны более сильно, чем водородные атомы. Это приводит к образованию положительно заряженных водородных и отрицательно заряженного кислородного конца в молекуле воды. Такая полярность позволяет молекулам воды образовывать водородные связи, которые являются одним из ключевых факторов, определяющих многие свойства воды.

2. Высокая теплоемкость

Вода обладает высокой теплоемкостью, что означает, что для нагревания ее температуры требуется значительное количество энергии. Это свойство обусловлено водородными связями между молекулами воды, которые требуют энергии для разрыва. Поэтому, чтобы нагреть воду, необходимо поставить больше энергии по сравнению с другими веществами.

3. Высокая теплопроводность

Вода обладает высокой теплопроводностью — способностью передавать тепло. Это свойство также обусловлено водородными связями между молекулами воды. Тепло, передаваемое от одной молекулы к другой, распространяется по всему объему воды, что позволяет быстро и равномерно распространяться теплу.

4. Низкая плотность льда

Как известно, лед имеет меньшую плотность, чем вода в жидком состоянии. Это свойство воды обусловлено его молекулярной структурой. При замерзании молекулы воды приобретают определенную регулярную структуру, в результате чего образуются открытые кристаллические решетки. Из-за этой структуры лед занимает большую объемную площадь и имеет меньшую плотность, чем жидкая вода. Это позволяет льду плавать на поверхности воды, что имеет большое значение для поддержания жизни в водных экосистемах, так как плавающий лед предотвращает полное замерзание водоемов.

5. Высокая поверхностная натяжение

У воды есть особое свойство — она обладает высокой поверхностной натяжением. Это свойство объясняется взаимодействием молекул воды на поверхности жидкости. Молекулы воды на поверхности испытывают силы притяжения только со стороны других молекул воды, что приводит к образованию силы, направленной параллельно поверхности. Эта сила притяжения пытается уменьшить площадь поверхности, что и обуславливает поверхностную натяжение воды. Именно высокое значение поверхностной натяжения позволяет некоторым насекомым, таким как стридеры, перемещаться по поверхности воды без погружения.

6. Универсальный растворитель

Вода является универсальным растворителем — она способна растворять в себе большинство различных веществ. Это свойство объясняется полярностью молекулы воды. Вода образует электростатические связи с заряженными и полярными молекулами, что позволяет ей растворять множество веществ, включая соли, сахара и многие другие соединения.

7. Большая плотность в жидком состоянии

Плотность воды в жидком состоянии достаточно высока. Это означает, что вода имеет большую массу в единицу объема по сравнению с большинством других жидкостей. Благодаря этому свойству, легче плавать и сохранять плавучесть в воде, чем, например, в растворе соли или других жидкостях.

Поведение воды в разных состояниях

Вода – это уникальное вещество, которое может находиться в трех различных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Каждое из этих состояний имеет свои особенности и характеристики.

Твердое состояние

При низких температурах вода превращается в лед и находится в твердом состоянии. Лед имеет регулярную кристаллическую структуру, в которой молекулы воды располагаются в определенном порядке. В этом состоянии вода обладает жесткостью и прочностью.

Твердая вода может иметь различные формы и структуры в зависимости от условий, при которых она замерзает. Например, снежные хлопья имеют уникальные и сложные формы, так как в процессе замерзания молекулы воды образуют особую симметричную структуру.

Жидкое состояние

При комнатной температуре и обычных условиях вода находится в жидком состоянии. Жидкая вода не имеет определенной формы и принимает форму сосуда, в котором она находится. В этом состоянии вода обладает подвижностью и текучестью.

Жидкая вода обладает рядом уникальных свойств, таких как поверхностное натяжение и способность капиллярного восходящего движения. Благодаря этим свойствам вода может подниматься по тонким капиллярам и впитываться губками, тканями и почвой.

Газообразное состояние

При нагревании вода превращается в пар и находится в газообразном состоянии. В газообразном состоянии вода представляет собой невидимый и прозрачный газ, который заполняет пространство.

Альфа

Газообразная вода обладает низкой плотностью и может расширяться при нагревании. Именно этим свойством обусловлено явление кипения, когда вода начинает закипать, превращаясь в пар и образуя пузырьки.

Таким образом, вода в разных состояниях проявляет различные свойства и характеристики. Эти особенности важны, чтобы понять феномен мокроты, так как вода в жидком состоянии имеет способность покрывать поверхность и проникать в другие вещества.

Почему лед не тонет?

Считается, что уникальная способность льда не уходить под воду обусловлена появлением в нем особенной кристаллической решетки, которая часто обогащена мельчайшими пузырьками воздуха. Ледяной покров, постепенно расползаясь от берегов водоема к самому его центру, надежно защищает всех обитателей от сильных морозов, сохраняя положительную температуру под ледяным куполом.

Теоретически, любой, даже самый большой водоем, может промерзнуть до самого дня при соблюдении определенных природных и температурных условий. В обычное же время даже небольшой пруд с максимальной глубиной около трех метров не способен промерзнуть до самого дна по причине, что при достижении водой критической отметки в +4 градуса по Цельсию, в пруде/озере/реке и других аналогичных водоемах начинается интенсивный процесс перемещения слоев разной температуры. Наиболее холодные водные слои постепенно поднимаются вверх, в то время как теплые начинают опускаться вниз. С понижением средней температуры, на поверхности водоема постепенно образуется лед, который останавливает процесс перемещения слоев воды разной температуры и не дает подледному миру полностью замерзнуть.

Механизмы испарения воды:

Испарение — это процесс перехода воды из жидкого состояния в газообразное без предварительного перехода в состояние жидкого агрегата. Вода может испаряться как из жидкого, так и из твердого состояния, например, из льда.

Механизм испарения воды из льда различается по сравнению с испарением из жидкости. Когда твердое вещество, такое как лед, переходит в газообразное состояние без перехода в жидкое состояние, это называется сублимацией.

Сублимация происходит, когда вода находится при низком давлении и достигает определенной температуры — температуры сублимации льда. При этом, молекулы воды прямо из льда переходят в газообразное состояние, минуя жидкую фазу.

Молекулы воды в льду имеют достаточно энергии для передвижения и взаимодействия друг с другом, но они все же остаются достаточно близко связанными, чтобы образовать кристаллическую решетку. Когда лед нагревается, энергия молекул воды увеличивается, и на определенной температуре эта энергия становится достаточной для преодоления притяжения между молекулами и перехода к газообразному состоянию.

Таким образом, при определенных условиях температуры и давления, лед может сразу испаряться, не проходя через промежуточное жидкое состояние. Этот процесс сублимации широко применяется в различных областях, таких как метеорология (образование мороза), пищевая промышленность (замораживание продуктов) и научные эксперименты.

Кинетическая энергия молекул:

Кинетическая энергия молекул — это энергия движения, которую обладают молекулы вещества. Когда вода находится в состоянии льда, молекулы воды имеют меньшую кинетическую энергию, чем водные молекулы в жидком состоянии.

Кинетическая энергия молекул связана с их тепловым движением. Вода находится в жидком состоянии, когда молекулы обладают достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть притяжение между собой и двигаться относительно свободно. Когда температура понижается и вода замерзает в лед, кинетическая энергия молекул уменьшается и молекулы начинают организовываться в кристаллическую решетку с более упорядоченным движением.

Однако, когда вода начинает нагреваться и достигает точки плавления льда (0°C), кинетическая энергия молекул увеличивается, и они становятся более подвижными. В результате, молекулы начинают выходить из кристаллической решетки и переходить в жидкое состояние. Этот процесс называется плавлением. Вода находится в жидком состоянии при температурах выше точки плавления.

Таким образом, при нагревании льда, энергия тепла передается молекулам, увеличивая их кинетическую энергию. Это вызывает переход воды из состояния льда сразу в жидкость, минуя жидкое состояние. Этот процесс называется сублимацией.

Важно отметить, что кинетическая энергия молекул зависит от их температуры. Температура определяет степень движения молекул и, следовательно, их кинетическую энергию

Интенсивность движения молекул:

Вода может находиться в трех основных состояниях: твердое, жидкое и газообразное. Когда вода находится в твердом состоянии, то есть в виде льда, молекулы воды находятся в упорядоченном состоянии и имеют фиксированные положения. Как только воздействие на лед становится достаточно интенсивным, энергия, переданная от внешней среды, начинает нагревать молекулы и облекает их в движение, переходя в жидкое состояние.

Однако в определенных условиях, при высокой интенсивности воздействия, молекулы льда не обладают достаточным временем для перехода в жидкое состояние. При таких условиях процесс перехода из твердого состояния льда в газообразное состояние (испарение) может происходить напрямую. Это происходит потому, что молекулы льда получают достаточно энергии, чтобы преодолеть силы притяжения между собой и попадать в атмосферу в виде водяного пара, минуя промежуточную стадию жидкости.

Таким образом, интенсивность движения молекул в данном случае определяется величиной переданной энергии и способностью молекул льда преодолеть взаимоувязывающие силы. Чем выше энергия и слабее силы притяжения, тем больше вероятность прямого перехода из твердого состояния льда в газообразное состояние.

Применение в быту

Выше упоминалось о возможности разрыва водопроводных труб при замерзании воды. Во избежание повреждения водопровода при низких температурах нельзя допускать перерывов в подаче тёплой воды, которая идёт по трубам отопления. Аналогичной опасности подвергается автотранспортное средство, если в морозы оставлять воду в радиаторе.

А теперь поговорим о приятной стороне уникальных свойств воды. Катание на коньках — большое удовольствие для детей и взрослых. А задумывались ли вы, почему лёд такой скользкий? Например, стекло тоже скользкое, к тому же глаже и привлекательнее льда. Но по нему коньки не скользят. Лишь лёд обладает таким специфическим восхитительным свойством.

Дело в том, что под тяжестью нашего веса происходит давление на тонкое лезвие конька, что, в свою очередь, вызывает давление на лёд и его таяние. При этом образуется тонкая плёнка воды, о которую и скользит стальное лезвие конька.