При какой температуре тает лед и снег: какое количество теплоты необходимо затратить
Вода в природе может находиться в трех разных агрегатных состояниях:
Лед и снег находятся в твердом состоянии, после плавления они превращаются в жидкость, а при нагревании этой же жидкости, она испаряется и превращается в водяной пар. Многим интересно, какие условия должны быть для плавления, замерзания и испарения воды? При какой температуре тает лед и снег или получается вода и пар? О всем этом вы узнаете в этой познавательной статье.
Вода на Земле
Нельзя сказать, что водяной пар и лед редко встречаются в повседневной жизни. Однако наиболее распространенным является именно жидкое состояние – обычная вода. Специалисты выяснили, что на нашей планете находится более 1 млрд кубических километров воды. Однако не более 3 млн км3 воды принадлежат пресным водоемам. Достаточно большое количество пресной воды «покоится» в ледниках (около 30 млн кубических километров). Однако растопить лед таких огромных глыб далеко не просто. Остальная же вода соленая, принадлежащая морям Мирового океана.
Вода окружает современного человека повсюду, во время большинства ежедневных процедур. Многие считают, что запасы воды неиссякаемы, и человечество сможет всегда использовать ресурсы гидросферы Земли. Однако это далеко не так. Водные ресурсы нашей планеты постепенно истощаются, и уже через несколько сотен лет пресной воды на Земле может не остаться вовсе. Поэтому абсолютно каждому человеку нужно бережно относиться к пресной воде и экономить ее. Ведь даже в наше время существуют государства, в которых запасы воды катастрофически малы.
Свойства воды
Прежде чем говорить о температуре таяния льда, стоит рассмотреть основные свойства этой уникальной жидкости.
Итак, воде присущи следующие свойства:
- Отсутствие цвета.
- Отсутствие запаха.
- Отсутствие вкуса (однако качественная питьевая вода имеет приятный вкус).
- Прозрачность.
- Текучесть.
- Способность растворять различные вещества (например, соли, щелочи и т. д.).
- Вода не имеет собственной постоянной формы и способна принимать форму сосуда, в который попадает.
- Способность очищаться посредством фильтрования.
- При нагревании вода расширяется, а при охлаждении сжимается.
- Вода может испаряться, превращаясь в пар, и замерзать, образуя кристаллический лед.
В этом списке представлены основные свойства воды. Теперь разберемся, каковы особенности твердого агрегатного состояния этого вещества, и при какой температуре тает лед.
Снег и лед
Лед – это твердое кристаллическое вещество, которое имеет достаточно неустойчивую структуру. Он, как и вода, прозрачен, не имеет цвета и запаха. Также лед обладает такими свойствами, как хрупкость и скользкость; он холодный на ощупь.
Снег также представляет собой замерзшую воду, однако обладает рыхлой структурой и имеет белый цвет. Именно снег каждый год выпадает в большинстве стран мира.
Как снег, так и лед – крайне неустойчивые вещества. Чтобы растопить лед, не нужно прикладывать особых усилий. Когда же он начинает таять?
Плавление льда
В природе твердый лед существует только при температуре 0 °C и ниже. Если же температура окружающей среды поднимается и становится больше 0 °C, лед начинает таять.
При температуре таяния льда, при 0 °C, происходит и другой процесс – замерзание, или кристаллизация, жидкой воды.
Данный процесс можно наблюдать всем жителям умеренно континентального климата. Зимой, когда температура на улице опускается ниже 0 °C, достаточно часто выпадает снег, который не тает. А жидкая вода, находившаяся на улицах, замерзает, превращаясь в твердый снег или лед. Весной же можно увидеть обратный процесс. Температура окружающей среды поднимается, поэтому лед и снег тают, образуя многочисленные лужи и грязь, которую можно считать единственным минусом весеннего потепления.
Таким образом, можно сделать вывод, что, при какой температуре начинает таять лед, при такой же температуре начинается и процесс замерзания воды.
В такой науке, как физика, часто используется понятие количества теплоты. Данная величина показывает количество энергии, необходимой для нагревания, плавления, кристаллизации, кипения, испарения или конденсации различных веществ. Причем каждый из перечисленных процессов имеет свои особенности. Поговорим о том, какое количество теплоты для нагревания льда требуется в обычных условиях.
Чтобы нагреть лед, нужно сначала его растопить. Для этого необходимо количество теплоты, нужное для плавления твердого вещества. Теплота равняется произведению массы льда на удельную теплоту его плавления (330-345 тысяч Джоулей/кг) и выражается в Джоулях. Допустим, что нам дано 2 кг твердого льда. Таким образом, чтобы его растопить, нам понадобится: 2 кг * 340 кДж/кг = 680 кДж.
После этого нам необходимо нагреть образовавшуюся воду. Количество теплоты для данного процесса рассчитать будет немного сложнее. Для этого нужно знать начальную и конечную температуру нагреваемой воды.
Итак, допустим, что нам требуется нагреть получившуюся в результате плавления льда воду на 50 °C. То есть разница начальной и конечной температуры = 50 °C (начальная температура воды – 0 °C). Тогда следует умножить разность температур на массу воды и на ее удельную теплоемкость, которая равняется 4 200 Дж*кг/°C. То есть количество теплоты, необходимое для нагревания воды, = 2 кг * 50 °C * 4 200 Дж*кг/°C = 420 кДж.
Тогда получаем, что для плавления льда и последующего нагревания получившейся воды нам потребуется: 680 000 Дж + 420 000 Дж = 1 100 000 Джоулей, или 1,1 Мегаджоуль.
Зная, при какой температуре тает лед, можно решить множество непростых задач по физике или химии.
Плавление снега
Рассмотрим, какое количество теплоты нужно затратить, что бы из 4 кг. снега получить 4 кг. горячей воды (100°С) при температуре окружающей среды — 10°С.
Дано:
- m = 4 кг — масса снега
- t1 = -10 C — температура снега
- t2 = 0 C — температура плавления снега
- t3 = 100 C — температура кипящей воды
- С1 = 2100 Дж/кг*С — удельная теплоемкость снега
- Л = 330000 Дж/кг — удельная теплота плавления cнега
- С2 = 4200 Дж/кг*С — удельная теплоемкость воды
- Q-?
Решение:
- Q1 = C1*m*(t2-t1)
- Q2 = Л*m
- Q3 = C2*m*(t3-t2)
- Q = Q1 + Q2 + Q3
- Q1 = 2100*4*(0+10) = 84000 Дж
- Q2 = 330000*4 = 1320000 Дж
- Q3 = 4200*4(100-0) = 1680000 Дж
- Q = 1680000 + 84000 + 1320000 = 3084000 Дж = 3084 кДж
Ответ:
Превращение воды в пар
Задача: Найти сколько энергии необходимо затратить, что бы превратить 1 кг. воды в пар, если изначально температура воды составляет 25°С.
Решение:
- На нагрев 1 кг воды на 1°С необходимо затратить 4200 Дж;
- Для нагрева с 25°С до 100 °С необходимо нагреть воду на 75°С;
- Для этого нужно затратить 4200*75=315000 Дж;
Ответ:
- Необходимо затратить 315 кДж.
Выводы
Итак, в данной статье мы узнали некоторые факты о воде и о двух ее агрегатных состояниях – твердом и жидком. Водяной пар, однако, представляет собой не менее интересный объект для изучения. Например, в нашей атмосфере содержится приблизительно 25*1016 кубических метров водяного пара. К тому же, в отличие от замерзания, испарение воды происходит при любой температуре и ускоряется при ее нагревании или при наличии ветра.
Мы узнали, при какой температуре тает лед и замерзает жидкая вода. Такие факты всегда пригодятся нам в повседневной жизни, так как вода окружает нас повсюду. Важно всегда помнить о том, что вода, в особенности пресная, является иссякаемым ресурсом Земли и нуждается в бережном к ней отношении.
Так же мы недавно писали о том, с чего начинать подготовку к ЕГЭ, советуем всем школьникам, даже тем, кто учится не в выпускных классах прочитать эту статью.
Источник
Какой снег тает быстрее: светлый или грязный
Чем белее снег, тем лучше он отражает солнечные лучи и меньше нагревается. А вот пыль способна ускорить процесс таяния и сокращения объема сугробов и льда
В городах можно наблюдать снег различных оттенков — от белого до черного и коричневого. Можно заметить, что в зависимости от цвета таят они по-разному. Например, снег более темных оттенков превращается в воду под прямыми солнечными лучами быстрее своего белого собрата.
Происходит это из-за свойств поверхности снега разного цвета. Белый снег отражает большее количество излучения Солнца, а черный поглощает его, нагреваясь при этом сильнее. Поэтому под прямыми солнечными лучами более темный снежный покров быстрее превращается в воду. Но при нахождении в тени поглощение излучения перестает играть такую существенную роль и у темного снега появляется преимущество — примеси на его поверхности начинают играть роль защиты и предохраняют внутренние слои от быстрого таяния.
Значительную роль в скорости превращения снега в воду играет и вид загрязнителей. Так, ученые NASA выяснили, что пыль, которая осаждается из воздуха, сильнее всего ускоряет таяние снежных покровов по всему миру. По словам ученых, пыль заставляет молекулы воды в снегу поглощать больше тепла, из-за чего отдельные снежинки начинают превращаться в крупные зерна с большей площадью, которые сильнее поглощают излучение. Таким образом при таянии наблюдается эффект «снежного кома», из-за которого покров начинает со временем таять все быстрее.
Пыль от человеческой деятельности может разноситься на большие расстояния и встречается даже на ледниках. Из-за уменьшения альбедо такой снег начинает таять быстрее, что оказывает негативные эффекты на окружающую среду. В частности, таяние темного снега увеличивает количество воды, испаряющейся и стекающей с ледников ежегодно.
Источник
Как исчезает снег
Кандидат географических наук Марк Софер. Фото Натальи Домриной
Зима ещё хлопочет
И на Весну ворчит…
Ф. И. Тютчев
Какой бы долгой ни была зима, рано или поздно она сменяется весной, а когда именно произойдёт поворот от зимы к весне, точнее всего скажет… снег. Время достижения наибольшей высоты снежного покрова — переломный момент в годовом цикле природы. Зима кончается, как только снежный покров перестаёт расти (кроме тех мест, где он неустойчив или кратковременен). На огромных пространствах северной Европы и Сибири к концу февраля — началу марта, как правило, накапливаются максимальные снегозапасы. Если в это время сделать гигантский «снежный разрез», то по нему можно прочитать «биографию» уходящей зимы, ведь каждый слой — страничка из жизни снега.
Размер кристаллов свидетельствует о возрасте слоя. В самом низу, у более старого снега, кристаллы к марту становятся крупными и прозрачными. Чем выше, тем они мельче, а на самом верху снег совсем не успевает перекристаллизироваться. По числу ледяных прослоек можно установить, сколько было оттепелей. Тёмные, грязные полоски (особенно явные вблизи крупных населённых пунктов) — «справка» о том, что снег долго не выпадал. Каждый последующий слой свидетельствует об очередном снегопаде.
На большей части Евразии в феврале — марте происходит уплотнение и таяние снега. Сначала солнечные лучи только прогревают его толщу. Затем, когда температура во всём слое поднимается до нуля, начинается быстрое таяние. Снег пропитывается водой. Этот процесс напоминает поведение куска сахара в воде. А Сергей Есенин подметил, что:
Снег, словно мёд ноздреватый,
Лёг под прямой частокол.
Действительно, талая вода прокладывает вертикальные ходы в снежном покрове, и он приобретает вот такой «ноздреватый» вид.
Наступает основной период снеготаяния, который длится до схода снега на половине площади. Именно в этот период, очень короткий по сравнению со временем снегонакопления, теряется до 80% зимних снегозапасов.
Обильные северные снега, накопленные природой в течение почти полугода, могут стаять за 20 дней (примерно за такой срок освобождаются от снега Финляндия, Швеция, север России). В средней полосе процесс идёт ещё быстрее — за 8—10 дней. Всего за неделю сходит снег почти во всей Украине и в Поволжье.
Продолжительность снеготаяния имеет исключительное значение. Чем она короче, тем больше в единицу времени стекает талой воды с поверхности почвы. Трудно найти более краткое и точное описание этого периода, чем в знаменитых строках Фёдора Ивановича Тютчева (1836 год):
Ещё в полях белеет снег,
А воды уж весной шумят…
Почти через полвека ленинградский поэт Иван Дементьев написал:
Сугроб уже сутулится
От солнечных лучей,
И побежал по улице
Сверкающий ручей.
И «шум воды» и «бегущий ручей» свидетельствуют о таком бурном таянии, которое не может пройти бесследно. Не каждая речка способна принять в себя гигантский поток талой воды, особенно если она не успела освободиться ото льда после зимней спячки. Именно в период интенсивного снеготаяния возникает угроза катастрофических половодий, сильного разрушения (эрозии) почвы, деформации русел рек.
По данным метеорологов, стаивающий за сутки снег может дать около 30 л воды с 1 м 2 поверхности. При особо благоприятных условиях — до 80 л. Представьте, что столько воды выливается за сутки на 1 м 2 участка — в некоторых регионах страны это соответствует месячной норме осадков.
Но это там, где снега много. Где его мало, таяние заканчивается намного быстрее. В степных районах из-за сухости воздуха и интенсивной солнечной радиации возможно прямое испарение снега, без превращения его в воду. Такое «съедание» снега не угрожает разрушительным половодьем, однако лишает почву живительной влаги под будущий урожай.
Как же узнать, где снега много, а где мало, какой окажется предстоящая весна и какие «сюрпризы» нам преподнесёт природа? Чтобы получить ответы на эти вопросы, метеорологи систематически проводят снегомерную съёмку почти на всей заснеженной площади планеты. Из-за разнообразия климата и рельефа картина распределения снега получается довольно пёстрой.
Как же исчезает снег? Постепенно, почти незаметно. Даже в устойчивую, без единой оттепели морозную зиму снежный покров истончается, так что к весне он оказывается полностью «съеденным». Не успевая растаять, снег испаряется.
Физики называют процесс испарения снега или льда, то есть перехода вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое, сублимацией или возгонкой. Физические законы (включая термодинамические), по которым происходит испарение и кристаллизация ледяных частиц, достаточно сложны. Количественные характеристики этих процессов зависят как от многообразных свойств снега, так и от условий внешней среды, к которым помимо температуры и влажности воздуха относится и ветер — он иногда становится хозяином снега. Благодаря ветру снег может не только падать вниз, но и взлетать, перемещаться на большие расстояния, рассеиваться, усиленно испаряться.
Учесть все перемещения снега, оценить его потери, определить сроки исчезновения позволяют балансовые методы расчёта. Как в хорошей бухгалтерии, по ним можно проследить каждый этап жизни снега: выпадение, перемещение, отложение, исчезновение.
Если сопоставить массу всех выпадающих из облака снежинок с массой снега, уже достигшего земли, то они не будут равны. Внизу наверняка обнаружится существенная «недостача». Естественным объяснением этого будет «усушка» снега по дороге между небом и землёй. Действительно, количество снега, достигшего земли, гораздо меньше, чем начавшего падать с облака. Но это явление — в рамках законов физики.
Известно, что мелкие капли и ледяные кристаллики испаряются при дефиците влажности воздуха поразительно быстро, буквально на лету. Объясняется это тем, что продолжительность испарения таких частиц приблизительно пропорциональна квадрату их радиуса. Следовательно, при прочих равных условиях частица радиусом 0,1 мм испарится и исчезнет в 100 раз быстрее, чем частица радиусом 1 мм. Чем меньше становится снежинка, тем быстрее она испаряется, а начав «худеть», она уже не может остановиться.
Но для сильного «похудания» нужно время. Хватит ли его снежинке на сравнительно коротком пути к земле? Временем она располагает немалым, ведь срок жизни свободно парящей снежинки составляет десятки минут. Например, при высоте облачного слоя 2 км над поверхностью земли и средней скорости падения снежинок 1 м/с снежинка пройдёт свой путь за 2000 секунд, или 33 минуты. Если воздух достаточно холодный и влажный, то снежинки, не очень «исхудав», успевают долететь до земли и образовать снежный покров. Если же воздух окажется более тёплым и сухим, то снежинки испарятся, не достигнув земли. Ситуация, о которой говорят: «тучи есть, а снега нет».
Знание высоты и продолжительности полёта снега, его способности испаряться в воздухе имеет большое практическое значение. От этих параметров зависят весенние снегозапасы, а следовательно, и водность рек. Установлено, что в одном и том же географическом районе на возвышенностях снега выпадает больше, чем на равнинах. Причина — меньший путь от облаков до земли и соответственно меньшие потери снега на испарение. Балансовые расчёты снега позволяют увидеть многие знакомые явления с новой, неожиданной стороны, дают им научное объяснение.
Например, уже давно замечен интересный факт: после сильной метели количество снега в наметённых сугробах не соответствует убыли снега на обдуваемых полях — оно значительно меньше. Куда же исчезает с поля остальной снег?
Лишь сравнительно недавно удалось экспериментально доказать, что переносимые ветром частицы снега во время своего полёта интенсивно испаряются. Выяснилось, что в сухом воздухе для снежинки среднего размера существует максимальная длина переноса, которая определяет, быть снежинке в сугробе или исчезнуть по дороге. Чем больше скорость ветра, тем меньше время перелёта этого критического расстояния и, следовательно, больше дальность переноса снега.
Какой же путь успевает совершить снежинка до своего исчезновения? Это зависит и от рельефа, и от сухости (влажности) воздуха. Различия в «длине пробега» очень велики. Например, в горных районах на расстояние больше 0,5 км снег не перемещается. На равнинах Западной Сибири снежинки могут улететь за 30—50 км от того места, где их подхватил порыв ветра. Вот почему при сравнительно небольшом количестве зимних осадков снега там всегда вдосталь.
В Приволжье, в степях Казахстана и Западной Сибири потери снега с открытых мест в среднем составляют 50% от выпавших осадков. В условиях малоснежных зим это губительно отражается на урожае. Недаром возникла старинная пословица, фиксирующая эту связь: «снегу надует — хлеба прибудет» (то есть надует на поля).
Многие, возможно, обращали внимание, что падающий без ветра снег старательно повторяет все тонкости местного рельефа. Но уже через несколько часов эти тонкости начинают стираться. Через несколько дней поверхность снежного покрова выравнивается, а к концу сезона приближается к плоской, какой её видел А. И. Полежаев (1835 год):
Вдали, кругом, холодная немая —
Везде одна равнина снеговая;
Везде один безбрежный океан,
Окованный зимою великан!
Снег тщательно сглаживает неровности рельефа. Чем вызвана такая «самонивелировка»?
Дело в том, что испарение снежных частиц зависит от площади их внешней поверхности и происходит с любой стороны, куда есть доступ воздуху, а тем более ветру. Чем больше открытой поверхности, тем больше испарение. Минимально оно с плотной плоской поверхности. Вот почему снежинки стараются «не высовываться», как можно плотнее прижаться друг к другу, а поверхность снежного покрова — принять форму, наиболее устойчивую к ветру. Это либо плоскость, либо очень пологие сугробы.
Те же небольшие скопления снега, что оказались открытыми, незащищёнными, подвергаются сильнейшему воздействию ветра и вынуждены исчезнуть, точнее — превратиться в водяной пар. Самая незавидная участь — у отдельных снежинок. Если они не прикроют своими «телами» друг друга, то, обдуваемые ветром со всех сторон, испаряются в 10—100 раз быстрее, чем в безветрие. Вот почему снег так быстро исчезает с крон деревьев, проводов, шпилей. Иногда он почти полностью рассеивается во время метелей. Происходит процесс, о котором можно сказать: «ветер снег съедает».
Но не только сублимация и ветер определяют судьбу снега. Он испытывает множество других воздействий: давление вышележащих слоёв, колебания температуры в зимние месяцы, оттепели, поверхностное таяние и последующее замерзание воды, просачивающейся вглубь, а также конденсацию — прямой переход воды из газообразного в твёрдое состояние. Известно, что в интервале плотности лежалого снега от 270 до 360 кг/м 3 увеличение температуры всего на 1 градус даёт увеличение плотности на 4 кг/м 3 . Со временем снег настолько уплотняется, что перестаёт быть собственно снегом, превращаясь в фирн, или зернистый лёд. В зависимости от погодных условий плотность фирна колеблется от 360 до 800 кг/м 3 , что в 3—5 раз превышает плотность своего самого первого предшественника. Таким образом, под влиянием погодных факторов снег уплотняется, проседает, высота снежных сугробов заметно уменьшается.
В шутку этот процесс можно назвать «утруской» снега.
Более плотный снег и ледяная корка, в том числе и наст, ничуть не снижают темпов исчезновения некогда обширного белого покрова, а даже увеличивают его из-за повышения плотности и, как следствие, теплопроводности. Температура поверхности при этом будет выше температуры поверхности рыхлого снега, поскольку с увеличением плотности вещества толщина слоя поглощения солнечной радиации уменьшается, что приводит к большему его нагреву.
Лёд испаряется не только при положительных температурах воздуха, но и при самых сильных морозах, тем более что им сопутствует низкая влажность воздуха.
Именно весной, при уже хорошо пригревающем солнце, мы замечаем, что от тающего снега веет холодом. Он ощутим даже при плюсовых температурах воздуха. Недаром говорят, что весеннее тепло обманчиво. Причина известна: в соответствии с законами термодинамики процесс таяния «отбирает» у прилегающих слоёв воздуха тепло и тем самым холодит его.
Перейдя на участок, где снег уже растаял, вы заметите, что стало ощутимо теплее — земля быстро прогревается и подсыхает. Этот процесс также не остался без поэтического отражения. Слова А. К. Толстого (1856 год) лаконичны и точны:
Вот уж снег последний в поле тает.
Тёплый пар восходит от земли.
Эти термодинамические процессы в определённых ситуациях мы успешно используем в своей практической деятельности. Например, «сухое» испарение льда (возгонку), когда вывешиваем зимой на улице мокрое бельё. Казалось бы, как можно высушить его на морозе? Оно же просто замёрзнет! Бельё действительно замерзает, превращаясь в твёрдое несгибаемое полотно, но в таком состоянии оно тоже сохнет — процесс испарения продолжается, но не с поверхности жидкости, а с поверхности льда. Открытое пространство, а тем более ветер способствуют испарению и ускорению сушки.
Поэтому для ускорения схода снега в городах ближе к весне производится сколка уплотнённого снега у поребриков тротуаров, разрушение залежалых снежных скоплений во дворах. И с этой же целью садоводы перелопачивают снег на своих участках. Несколько сухих, а ещё лучше ветреных дней — и все остатки снега бесследно исчезают, даже мокрого места не остаётся. Значит, весна полностью вступила в свои права.
Источник
