Лед: обычный и необычный
Лед – это вода, но в твёрдом состоянии, это одно из наиболее странных, соблазнительных и завораживающих веществ в природе. Он всегда полон противоречий и загадок, разгадать которые до конца пока не удалось никому. Лед на первый взгляд прозрачен, но способен сиять всеми цветами радуги. Он способен разрушить камень или утопить корабли, и в то же время умеет исчезать (таять) буквально в считанные секунды. Он принимает самые разнообразные и причудливые формы – от маленькой снежинки до ледников весом в миллионы тонн, которые являются одной из самых разрушительных сил природы. Известно более 15 структурных модификаций льда. Лед есть и в космосе, и на Земле. Давайте попробуем разобраться, как можно использовать лёд и что нужно знать о нём и связанных с ним физических явлениях.
Человек перемещается по поверхности Земли или пешком, или при помощи наземного транспорта: автомобиль, автобус, трамвай, поезд и так далее. Самое удивительное, что определяющей силой, благодаря которой происходит движение в обоих случаях, является сила трения. Эта сила согласно закону Амонтона-Кулона равна произведению коэффициента трения на силу нормального давления, с которой ноги человека или колеса транспорта действуют на поверхность движения:
В зимнее время все дороги, как правило, покрыты снегом, а иногда наблюдается и гололед, что существенно уменьшает коэффициент трения, помогающий нам в движении. В частности, коэффициент трения шин автомобиля уменьшается практически в два раза. Это приводит к значительному уменьшению устойчивости автомобиля на дороге, что может привести к заносу. Поэтому в зимнее время при движении по заснеженной или покрытой льдом дороге необходимо использовать специальную зимнюю резину, а для усиления еще и шипованную. Аналогичная ситуация происходит при движении человека пешком. Поэтому для предотвращения непредвиденных падений рекомендуется использовать обувь с профильной и прорезиненной подошвой, а ходить лучше по дороге, посыпанной песком, который в несколько раз увеличивает силу трения.
С другой стороны, благодаря льду и снегу, которые имеют очень маленький коэффициент трения, существую такие виды спорта, как фигурное катание, хоккей, лыжные и конькобежные виды спорта, бобслей, сноуборд и т.д. Для того чтобы было хорошее скольжение, коньки должны иметь специальную форму и быть хорошо заточенными. Кроме того, высокое давление, которое оказывают коньки на лед, превращает поверхностный лед в воду, что существенно увеличивает скольжение. После того как коньки перестали давить на лед, образовавшаяся вода опять замерзает и превращается в лед. Чтобы увеличить скорость движения на лыжах, в зависимости от погоды и состояния снега, необходимо использовать специальные мази, увеличивающие скольжение на концах лыж и увеличивающие трение по центру для лучшего отталкивания.
Образование льда из воды может происходить совершенно необычно, если взять пластиковую бутылку с водой, охлажденной до 0 0 С, и с силой поставить ее на стол, то вода начнет превращаться в лед, причем это будет происходить буквально на наших глазах. Аналогичное явление будет происходить, если в сосуд с охлажденной до 0 0 С водой бросить кусок льда. Так можно быстро превратить достаточно холодную воду в лед.
Вода – единственное вещество, плотность которого в твердом состоянии меньше, чем в жидком. Молекулы воды хотя и близко расположены, но слабо связаны друг с другом, связи между ними постоянно создаются и разрушаются. При охлаждении до 0 0 С связи быстро стабилизируются, создавая гексагональную решетку – ледяной кристалл, в котором молекулы воды находятся на большем расстоянии, чем в жидком состоянии. Поэтому плотность льда меньше, чем воды. Другие вещества этим свойством не обладают, что видно из следующей таблицы:
Источник
Свойства льда: строение, механические и физические свойства льда
Лед – это твердое вещество, находящееся агрегатном состоянии, которому свойственно иметь газообразную или жидкую форму при комнатной температуре. Свойства льда начали изучать сотни лет назад. Около двухсот лет тому назад ученые обнаружили, что вода – не простое соединение, а сложный химический элемент, состоящий из кислорода и водорода. После открытия формула воды стала иметь вид Н2О.
Строение льда
Н2О состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. В спокойном состоянии водород располагается на вершинах атома кислорода. Ионы кислорода и водорода должны занимать вершины равнобедренного треугольника: кислород располагается на вершине прямого угла. Такое строение воды называется диполем.
Лед состоит на 11.2% процента из водорода, а остальное – это кислород. Свойства льда зависят от его химического строения. Иногда в нем присутствуют газообразные или механические образования – примеси.
Лед встречается в природе в виде немногочисленных кристаллических видов, которые устойчиво сохраняют свое строение при температурах от нуля и ниже, но при нуле и выше он начинает плавиться.
Структура кристаллов
Свойства льда, снега и пара совершенно разные и зависят от структуры кристаллов. В твердом состоянии Н2О находится в окружении четырех молекул, расположенных в углах тетраэдра. Так как координационная численность низкая, то лед может иметь ажурную структуру. Это отображается на свойствах льда и его плотности.
Формы льда
Лед относится к распространенным в природе веществам. На Земле есть следующие его разновидности:
Есть лед, напрямую образующийся сублимационным путем, т.е. от парообразного состояния. Такой вид принимает скелетовидную форму (мы их называем снежинки) и агрегатов дендритного и скелетного роста (изморозь, иней).
Одной из самых распространенных форм являются сталактиты, т. е. сосульки. Они растут по всему миру: на поверхности Земли, в пещерах. Этот вид льда образуется путем стекания капель воды при разнице температур около нуля градусов в осенне-весенний период.
Образования в виде ледяных полос, появляющихся по краям водоемов, на границе воды и воздуха, а также по краю луж, называются ледяными заберегами.
Лед может образовываться в пористых грунтах в виде волокнистых прожилок.
Свойства льда
Вещество может находиться в разных состояниях. Исходя из этого, возникает вопрос: а какое свойство льда проявляется в том или ином состоянии?
Ученые выделяют физические и механические свойства. Каждое из них имеет свои особенности.
Физические свойства
К физическим свойствам льда относят:
- Плотность. В физике неоднородная среда представлена пределом отношения массы вещества самой среды к объему, в котором она заключена. Плотность воды, как и других веществ, является функцией температур и давления. Обычно в расчетах используют постоянную плотность воды, равную 1000 кг/м 3 . Более точный показатель плотности учитывается только тогда, когда необходимо очень точно провести расчеты ввиду важности получаемого результата разности плотностей.
При проведении расчетов плотности льда учитывается, какая вода стала льдом: как известно, плотность соленой воды выше, чем дистиллированной. - Температура воды. Обычно кристаллизация воды происходит при температуре ноль градусов. Процессы замерзания происходят скачками с выделением теплоты. Обратный процесс (таяние) происходит при поглощении того же количества тепла, которое было выделено, но без скачков, а постепенно.
В природе встречаются условия, при которых происходит переохлаждение воды, но она не замерзает. Некоторые реки сохраняют жидкое состояние воды даже при температуре -2 градуса. - Теплоемкость. Это количество теплоты, которое поглощается при нагревании тела на каждый градус. Есть удельная теплоемкость, которая характеризуется количеством теплоты, необходимой для нагрева килограмма дистиллированной воды на один градус.
- Сжимаемость. Еще одно физическое свойство снега и льда – сжимаемость, влияющая на уменьшение объема под воздействием повышенного внешнего давления. Обратная величина называется упругостью.
- Прочность льда.
- Цвет льда. Это свойство зависит от поглощения света и рассеивания лучей, а также от количества примесей в замерзшей воде. Речной и озерный лед без посторонних примесей виден в нежно-голубом свете. Морской лед может быть совершенно другим: голубым, зеленым, синим, белым, коричневым, иметь стальной оттенок. Иногда можно увидеть черный лед. Такой цвет он приобретает из-за большого количества минералов и различных органических примесей.
Механические свойства льда
Механические свойства льда и воды определяются сопротивлением воздействию внешней среды по отношению к единице площади. Механические свойства зависят от структуры, солености, температуры и пористости.
Лед – это упругое, вязкое, пластичное образование, но бывают условия, при которых он становится твердым и очень хрупким.
Морской лед и пресноводный различаются: первый намного пластичнее и менее прочный.
При прохождении кораблей обязательно учитываются механические свойства льда. Также это важно при использовании ледяных дорог, переправ и не только.
Вода, снег и лед обладают схожими свойствами, которые определяют характеристики вещества. Но в то же время на эти показания влияют и многие другие факторы: температура окружающей среды, примеси в твердом веществе, а также исходный состав жидкости. Лед — это одно из самых интересных веществ на Земле.
Источник
Что такое лёд и как он образуется?
Прозрачный, твёрдый, играющий в солнечных лучах лёд каждую зиму сковывает наши реки и озёра, намерзает на коньках крыш длинными сосульками, превращает осенние лужи в ровные, скользкие катки для детворы.
В морозильной камере холодильника лёд можно приготовить и в разгар жаркого лета. Он может быть похож на прозрачное стекло и на мутно-белый пластик. Практически все знают, что такое лёд и как он образуется – это всего лишь замёрзшая вода. Но что мы на самом деле знаем об этом удивительном веществе?
Что такое лёд?
Прежде всего, следует сказать, что утверждение, будто лёд образуется из воды, не совсем точное. Помимо водяного, существует ещё аммиачный, метановый, а также так называемый «сухой» лёд, который образуется при замораживании углекислоты. Сухим его назвали, так как при таянии он не образует луж: углекислый газ моментально испаряется в атмосферу прямо из замороженного состояния.
Но мы будем говорить только о том льде, который образуется из воды. Его кристаллы характеризуются так называемой гексагональной сингонией, когда все молекулы воды выстраиваются в правильную объёмную решётку, причём одна молекула связана с четырьмя ближайшими. Это строение свойственно многим драгоценным камням и минералам – алмазу, кварцу, турмалину, корунду, бериллу и т.д. Кристаллическая решётка удерживает молекулы на расстоянии друг от друга, поэтому плотность льда меньше, чем плотность воды, из которой он образован. Куски льда плавают на поверхности воды, а не тонут на дне.
Согласно исследованиям, на нашей планете сейчас имеется около 30 миллионов квадратных километров льда. Основное количество сосредоточено на полярных шапках – там толщина ледяного слоя в некоторых местах достигает 4 километров.
Как образуется лёд?
Получить лёд очень просто: нужно всего лишь понизить температуру воды, опустив её ниже нуля градусов. При этом в воде начинается процесс кристаллизации: её молекулы выстраиваются в упорядоченную структуру, называемую кристаллической решёткой. Этот процесс одинаково происходит в морозильной камере, в луже и в океане.
Замерзание всегда начинается с верхнего слоя воды. Вначале в нём образуются микроскопические ледяные иголочки, которые затем смерзаются между собой, образуя своеобразную плёнку на поверхности водяной толщи. В крупных водоёмах ветер колеблет поверхность воды, образуя на ней волны, поэтому замерзание идёт дольше, чем при неподвижной воде.
Если волнение продолжается, плёнки сбиваются в ледяные блины диаметром до 30 сантиметров, которые затем смерзаются в единый слой толщиной не меньше 10 сантиметров. На этот слой, называемый молодиком, впоследствии снизу, а иногда и сверху намерзает новый лёд, образуя достаточн прочный и толстый покров.
Прочность льда зависит от его вида: прозрачный в полтора раза прочнее мутно-белого. Считается, что 5-сантиметровый слой льда уже может выдержать вес человека, а 10-сантимертовый – вес легковой машины. Но всё же нежелательно выходить на лёд водоёма, пока его толщина не достигнет 12-15 сантиметров.
Свойства льда
Самое известное и важное для нас свойство льда – способность относительно легко таять, превращаясь в воду при нулевой температуре. С точки зрения науки, он обладает и другими качествами:
– прозрачностью, способностью хорошо пропускать свет;
– бесцветностью – сам по себе лёд не имеет цвета, но может быть окрашен цветными добавками;
– твердостью, способностью сохранять свою форму без наружной оболочки;
– текучестью – но это свойство присуще ему лишь в некоторых модификациях;
– хрупкостью – кусок льда раскалывается даже при незначительном усилии;
– спайностью, т.е. способностью раскалываться по кристаллографическим линиям.
Состав льда отличается высокой степенью чистоты, поскольку в кристаллической решётке нет места посторонним молекулам. Замерзая, вода вытесняет примеси, которые были в ней растворены. Но многие растворённые в воде вещества тормозят замерзание – так, в морской воде лёд образуется при более низкой температуре, чем обычно, соль же при замерзании вытесняется из воды, образуя мелкие солевые кристаллы. При таянии они опять растворяются в воде. По сути, процесс ежегодного замерзания воды поддерживает её самоочищение от различных примесей в течение миллионов лет подряд.
Где лёд встречается в природе?
На нашей планете лёд можно встретить везде, где температура окружающей среды опускается ниже нуля градусов (по Цельсию):
– в атмосфере в виде мелких кристалликов – снега либо инея, а также более крупных гранул – града;
– на поверхности планеты в виде ледников – многовековых скоплений, располагающихся на Северном и Южном полюсах, а также на вершинах самых высоких горных хребтов;
– под землёй в виде вечной мерзлоты – в верхнем слое земной коры вокруг Северного полюса.
Кроме того, согласно исследованиям астрономов, лёд, т.е. замороженную воду, обнаружили на многих планетах Солнечной системы. В незначительных количествах он имеется на Марсе и на ряде карликовых планет, а также на спутниках Юпитера и Сатурна.
Источник
