Изменяется ли частица льда при таянии льда

IT News

Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm

Почему лед не нагревается во время таяния?

Если лед поместить в сосуд и поставить его над работающей горелкой, сосуд нагреется и лед начнет таять. Однако до тех пор, пока весь лед не превратится в жидкость, температура воды не поднимется выше 0°С (32°F), вне зависимости от степени разогрева плиты. Это происходит из-за того, что вся подводимая ко льду теплота идет на преодоление физических сил, связывающих между собой его молекулы.

У льда молекулы воды удерживаются вместе межмолекулярными связями, формирующимися между атомом водорода (показан синим цветом) одной молекулы и атомом кислорода (показан красным цветом) другой. Результирующая гексагональная кристаллическая структура имеет довольно высокую прочность. При 0°С молекулы движутся настолько быстро, что связи ослабевают. Часть межмолекулярных связей разрывается, позволяя молекулам воды покидать лед с образованием жидкости. Такой процесс называется фазовым переходом (вода переходит из твердой фазы в жидкую), а температура, при которой он протекает, называется точкой плавления.

Для разрушения связей, позволяющих воде находиться в твердом состоянии, необходима энергия, причем в очень большом количестве, поэтому вся теплота, выделяемая горелкой, идет на разрывание этих связей, а не на увеличение температуры льда. Теплота, необходимая для завершения описанного выше фазового превращения, называется скрытой теплотой плавления или теплотой фазового перехода, так как эта теплота не приводит к росту температуры. Только после того, как последние связи будут разрушены и весь лед расплавится, температура воды начнет увеличиваться и станет выше 0°С.

Как происходит таяние льда

1. У льда молекулы воды движутся так медленно, что всегда сохраняют связь друг с другом, образуя твердое тело. Когда ко льду подводится теплота (на рисунке справа показана в виде желтых шариков), молекулы воды приобретают дополнительную энергию и движутся быстрее, однако все еще связанные вместе в виде льда.
2. Если подвод теплоты продолжается, молекулы воды, находящиеся на поверхности льда, увеличивают скорость своих колебательных движений, разрывая межмолекулярные связи, удерживавшие их раньше на месте. Эти молекулы покидают лед и образуют жидкую фазу воды. Дальнейший подвод теплоты приводит к разрушению оставшихся межмолекулярных связей и постепенному таянию льда.
3. Продолжающийся подвод теплоты в конце концов дает последним из молекул замерзшей воды достаточно энергии для преодоления межмолекулярных связей, удерживавших их вместе в виде льда. Вся вода теперь стала жидкостью.

Лед, вода и температура

При подводе ко льду теплоты (рисунок слева) сначала увеличивается его температура. Однако при 0°С (32°F) рост температуры прекращается и наступает фазовый переход: лед начинает таять. Как показывает голубая кривая на графике, дополнительный подвод теплоты приводит к дальнейшему таянию льда, не увеличивая температуру воды. Только после того как весь лед перейдет в жидкое состояние (рисунок над текстом), дополнительный подвод теплоты приводит к увеличению температуры воды.

Источник

Изменяется ли частица льда при таянии льда

Вещества в твёрдом состоянии плотнее, чем в жидком. Но вода — исключение.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №11(27). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Из курса физики известно, что при нагревании тело или жидкость расширяется, то есть увеличивается в объёме, а при охлаждении сжимается. Масса остаётся такой же. А плотность, напротив, при нагреве уменьшается, при охлаждении увеличивается, так как плотность обратно пропорционально объёму:

Один литр воды при 90°С весит примерно 964 грамма. При охлаждении до четырёх градусов, сжимается в объёме до 964 мл. Посчитаем, как изменяется плотность. Масса воды не меняется в процессе охлаждения.

Плотность воды при температуре 90°С равна:

964 г / 1000 мл = 0,964 г / мл

А при температуре 4°С:

964 г / 964 мл = 1 г / мл

Чем ниже температура, тем выше плотность воды. Вспомните закон Архимеда: если плотность тела больше плотности воды, то тело тонет. Лёд — замёрзшая вода — холоднее жидкой, значит, плотность льда должна быть больше, и лёд «обязан» тонуть. Но тут не всё так просто!

Все жидкости при охлаждении замерзают и превращаются в твёрдое тело. Для разных жидкостей температура замерзания разная, но общее правило не нарушается: при замерзании твёрдая часть тонет в незамёрзшей жидкости. Так ведут себя практически все жидкости, кроме «непослушной» воды. Сначала вода уменьшается в объёме. Так происходит, пока температура не достигнет 4°C. При дальнейшем охлаждении вода медленно расширяется, а при замерзании 0°C скачкообразно расширяется. В итоге объём воды увеличивается примерно на 10% — так что может разорвать ёмкость, в которой замерзает. Именно поэтому работники коммунальных служб хорошо знают, что зимой нельзя допустить появления льда в трубах с водой. Он обязательно разорвёт металлические трубы, какими бы прочными они не были.

Водородная связь ограничивает способность молекул воды образовывать плотную кристаллическую решётку. Вода кристаллизуется в относительно неплотную гексагональную кристаллическую структуру, которая содержит внутри ячеек пустоту размером с целую молекулу.

С наступлением зимы мы достаём коньки и готовим их к сезону катков. Обязательно относим на заточку перед катаниями. Но у новичков часто возникает вопрос: почему лезвия коньков такие узкие? Ведь на них неудобно не то что кататься, а даже стоять.Это не случайно: когда вы стоите на коньках, ваш вес через узкие лезвия коньков давит на лёд.

У коньков маленькая площадь опоры, поэтому давление на лёд — большое. При большом механическом давлении лёд под коньками тает и в этом месте появляется тонкая плёнка воды, благодаря чему коньки скользят. Но это возможно лишь тогда, когда на улице не очень холодно. При сильном морозе лёд под коньками тает плохо, поэтому кататься труднее.

Обычно вода при замерзании кристаллизуется — вспомните спаянные в красивый узор кристаллы снежинки. Учёные применяли низкие температуры, сверхбыстрое замораживание, охлаждение под большим давлением, сочетали эти «пытки» между собой. В результате получили так называемый аморфный лёд, не содержащий кристаллов. Аморфный лёд используется для замораживания биологических материалов: органов, клеток, тканей животных или человека. При обычном замораживании образующиеся кристаллы льда повреждают клетки органов и тканей.

Метод со сверхбыстрым охлаждением используют в крионике — технологии сохранения в состоянии глубокого охлаждения только что умерших людей и животных в надежде на то, что в будущем их удастся оживить и при необходимости вылечить.

Аморфный лёд образуется при сверхбыстром охлаждении воды до температуры –137 °C за тысячные доли секунды. При быстром замораживании кристаллы просто не успевают образоваться.

На сегодняшний день науке известно 17 (!) видов кристаллического льда, отличающихся формой кристаллов, плотностью и даже электрическими свойствами.

Правда, на Земле практически весь лёд относится к одному виду, названному «обычный кристаллический лёд» или по-научному — лёд Ih. В верхних слоях атмосферы изредка встречается и другая форма — лёд Ic. Все остальные виды льда получены в лабораториях экспериментальным путём. Но они могут встречаться на других планетах или кометах.

Фазовая диаграмма воды

Лёд может иметь одну из 17кристаллических структур (Ih, Ic – XVI) в зависимости от условии (температуры и давления).

Тройная точка воды соответствует значениям температуры и давления, при которых вода одновременно существует в трёх фазах — в твёрдом, жидком и газообразном.

В критической точке поверхностное натяжение жидкости падает до нуля, поэтому исчезает граница раздела фаз жидкость-пар. Такое состояние называется сверхкритической жидкостью.

На нашей планете около 30 млн кубических километров льда. Самые большие запасы находятся в Антарктиде. Это около 90% всего льда Земли, или порядка 80% пресной воды нашей планеты. Вполне вероятно, что проблема недостатка пресной воды может нас вынудить использовать антарктический лед в качестве источника питьевой воды. Однако просто топить запасы льда в Антарктиде не получится — это приведёт к другой глобальной проблеме, влияющей на климат Земли. Но эта тема достойна отдельной статьи

Источник

Изменяется ли частица льда при таянии льда

Кусок льда аккуратно опускают в калориметр с тёплой водой и отмечают уровень воды. Затем лёд частично тает, в результате чего в калориметре устанавливается тепловое равновесие. Удельная теплоёмкость калориметра пренебрежимо мала. Как изменяются в ходе этого процесса следующие физические величины: температура воды в калориметре; внутренняя энергия содержимого калориметра; уровень воды в калориметре по сравнению с отмеченным.

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

А) Температура воды в калориметре

Б) Внутренняя энергия содержимого калориметра

В) Уровень воды в калориметре по сравнению с отмеченным

3) не изменится

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА	ЕЁ ИЗМЕНЕНИЕ

Запишите в ответ цифры, расположив их в порядке, соответствующем буквам:

А) Водой будет затрачена теплота на плавление льда. В результате этого процесса температура воды в калориметре понизится.

Б) Внутренняя энергия содержимого калориметра не изменяется, так как он теплоизолирован.

В) Плотность льда меньше плотности воды. Лёд плавает на поверхности воды, при этом сила тяжести уравновешивается силой Архимеда где — объём воды, вытесненной льдом. После того как часть льда растает эта часть займёт объём то есть суммарный объём вещества, находящегося в жидкости до и после таяния не изменится, а, следовательно, не изменится и уровень воды в калориметре.

Источник

лёд расплавили и превратили в воду, изменились ли молекулы, как изменился характер движения и взаимодействия молекул

Вообще-то лед — штука очень необычная. Он может быть кристаллическим, но проявляет и аморфные свойства. Он занимает больше объема, чем вода, из которой он состоит. Он весьма любопытно взаимодействует со светом — не имеет постоянного коэффициента преломления.
Но если обобщать на любое вещество, которое плавится или твердеет, то Вам ответили хорошо: молекулы остаются теми же, только меняется характер связей между ними. Вы же знаете, что такое Броуновское движение? Это не просто признак нагревания — это и есть сама температура тела. Никаких других проявлений нагрева и не существует. В твердом состоянии, когда вещество не нагрето, его молекулы движутся умеренно, слабо подергиваются. Силы (инерции) этих движений недостаточно, чтобы разорвать естественные силы тяготения между молекулами, поэтому они лишь колеблются на невидимых резинках, связывающих их с соседними молекулами. Расположение молекул относительно друг друга при этом может быть разным, и зависит от их формы. У одних веществ молекулы располагаются хаотично, как придется, наподобие песчинок в куче. У других молекулы сами по себе имеют такую форму, что стыкуются друг с другом только определенными сторонами, И поэтому выстраиваются в какую-нибудь пространественную структуру, решетку. Это и есть различие между аморфными и кристаллическими веществами. Лед, кстати, способен твердеть обоими способами, в зависимости от скорости охлаждения. это происходит из-за того, что форма молекул воды близка к круглой (образно говоря, конечно) . Иными словами, у них есть как бы оси, вдоль которых сцепление с другими молекулами происхоит более охотно, но эти оси выражены слабо. Поэтому при быстром замораживании большинство молекул «приклеиваются» друг к другу в случайно пойманных позициях, и лед получается аморфным. А при медленном охлаждении, когда у молекул, прежде чем приклеиться, есть запас времени, чотбы найти более «удобное» положение, они выстраиваются более стройными рядами и образуют кристалл.

При нагревании мы сообщаем телу чисто механическую энергию — энергию движения молекул. Они начинают колоебаться вокруг своих положений все более интенсивно, и в какой-то момент сила колебаний превышает силу, ударживающую молекулы друг около друга. «Резинки» рвутся, и молекулы получают свободу передвижения. Они начинают «летать» во всех направлениях, сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда, отлетая прочь и снова сталкиваясь. И скорость этого движение тем выше, чем сильнее мы нагреваем вещество. Вот это состояние, когда молекулы не сцеплены друг с другом, а двигаются по замысловатым траекториям — и есть жидкое состояние.

При этом взаимное притяжение молекул все еще работает, и не позволяет им свободно разлететься в пространстве кто куда. Они продолжают держаться сплоченной группой. Но если нагревать все сильнее, то скорости отдельных молекул становятся достаточны, чтобы совем покинуть общую группу и вылететь в окружающее пространство. Это — испарение. Между прочим, испарение в слабой степени присуще даже твердым предметам — Вы можете сами наблюдать, как лед медленно исчезает на морозе, не тая. Если нагрев так быстр и интенсивен, что жидкость не успевает выбрасывать свои самые «горячие» молекулы с поверхноси, тогда испарение начинает происходить прямо в толще жидкости — образуются пузыри, пустоты, внутрь которых жидкость испаряется еще быстрее. Это — кипение. В конце концов — спокойным испарением или кипением — жидкость может целиком превратиться в отдельные свободно летающие молекулы, и летают они так быстро, что даже встретившись друг с другом, не могут зацепиться и задержаться. Состояние веществе, когда его молекулы движутся независимо друг от друга, «Не замечая» соседок — это газ.

Вроде по вашему вопросу все. Что-нибудь еще интересно?

Источник