Когда плотность льда наименьшая

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

Плотность льда

Плотность льда и другие его физические свойства

= m / V, [г/см 3 , кг/м 3 ].

Плотность твердого вещества – это справочная величина. Лед – это вода в твердом агрегатном состоянии. Чистая воды – бесцветная жидкость без вкуса, цвета и запаха, кипящая при 100 o С и замерзающая при 0 o С; её максимальная плотность (при 4 o С) принята за 1 г/см 3 . Лед имеет меньшую плотность, чем жидкая вода и всплывает на её поверхность. Плотность льда равна 0,9167 г/см 3 .

Агрегатное состояние льда

К настоящему моменту времени известно о том, что лед способен существовать в виде трех аморфных разновидностей и 17 кристаллических модификациях, каждая из которых существует при определенных температуре и давлении (рис. 1).

Рис. 1. Фазовая диаграмма льда.

Химический состав и плотность льда

Химический состав льда соответствует химическому составу воды, поскольку лед и есть вода, только в твердом агрегатном состоянии. А, значит, лед состоит из 11,2% (масс.) водорода и 88,8% (масс.) кислорода.

Рис. 1. Строение молекулы воды.

Как видно из рис. 1., оба атома водорода в молекуле воды расположены по одну сторону от атома кислорода. Вследствие этого и высокой полярности связей H-O молекула H₂O в целом характеризуется значительной полярностью.

Примеры решения задач

Задание	Вычислите плотность а) по кислороду; б) по азоту; в) по воздуху следующих газов: аммиака NH3 и сернистого газа SO2.
Решение	Для того, чтобы вычислить относительную плотность одного газа по другому, надо относительную молекулярную массу первого газа разделить на относительную молекулярную массу второго газа.

Относительную молекулярную массу воздуха принимают равной 29 (с учетом содержания в воздухе азота, кислорода и других газов). Следует отметить, что понятие «относительная молекулярная масса воздуха» употребляется условно, так как воздух – это смесь газов.

Ответ Плотности аммиака по воздуху, кислороду и азоту соответственно равны 0,59, 0,53 и 0,61; плотности оксида серы (IV) по воздуху, кислороду и азоту соответственно равны 2,21, 2 и 2,29.

Задание	Плотность некоторого газа по гелию составляет 9,5. Известно, что газ является простым веществом. О каком веществе идет речь?
Решение	Отношение массы данного газа к массе другого газа, взятого в том же объеме, при той же температуре и том же давлении, называется относительной плотностью первого газа по второму. Данная величина показывает, во сколько раз первый газ тяжелее или легче второго газа.

Молярная масса газа равна его плотности по отношению к другому газу, умноженной на молярную массу второго газа:

Тогда, молярная масса газа будет равна:

M_gas = D_He× M(He) = 9,5 × 4 = 38 г/моль.

Среди простых веществ в газообразном состоянии находятся азот, кислород, водород, хлор, неон, гелий, фтор, аргон, криптон, ксенон и радон.

Формула молекулы фтора F₂. Относительная атомная масса фтора равна 18,9984 а.е.м. Значит искомый газ – это фтор.

Источник

Плотность льда и снега, теплопроводность, теплоемкость льда

Плотность, теплопроводность и теплоемкость льда в зависимости от температуры

В таблице приведены значения плотности, теплопроводности, удельной теплоемкости льда в зависимости от температуры в интервале от 0 до -100°С.

По данным таблицы видно, что с понижением температуры удельная теплоемкость льда уменьшается, а теплопроводность и плотность льда, напротив, растут. Например, при температуре 0°С плотность льда имеет значение 916,2 кг/м 3 , а при температуре минус 100°С его плотность становится равной 925,7 кг/м 3 .

Значение удельной теплоемкости льда при 0°С составляет 2050 Дж/(кг·град). При снижении температуры льда с -5 до -100°С его удельная теплоемкость снижается в 1,45 раза. Теплоемкость льда в два раза меньше значения этой величины у воды.

Теплопроводность льда при понижении его температуры с 0 до минус 100°С увеличивается с 2,22 до 3,48 Вт/(м·град). Лед более теплопроводен, чем вода — он может проводить в 4 раза больше тепла при одинаковых граничных условиях.

Следует отметить, что плотность льда меньше плотности воды, однако с понижением температуры плотность льда растет и при приближении к абсолютному нулю температуры плотность льда становится близка к величине плотности воды.

Таблица плотности, теплопроводности и теплоемкости льда

Температура, °С	Плотность, кг/м 3	Теплопроводность, Вт/(м·град)	Теплоемкость, Дж/(кг·град)
0.01 (Вода)	999,8	0,56	4212
0	916,2	2,22	2050
-5	917,5	2,25	2027
-10	918,9	2,30	2000
-15	919,4	2,34	1972
-20	919,4	2,39	1943
-25	919,6	2,45	1913
-30	920,0	2,50	1882
-35	920,4	2,57	1851
-40	920,8	2,63	1818
-50	921,6	2,76	1751
-60	922,4	2,90	1681
-70	923,3	3,05	1609
-80	924,1	3,19	1536
-90	924,9	3,34	1463
-100	925,7	3,48	1389

Теплофизические свойства льда и снега

В таблице представлены следующие свойства льда и снега:

• плотность льда, кг/м 3 ;
• теплопроводность льда и снега, ккал/(м·час·град) и Вт/(м·град);
• удельная массовая теплоемкость льда, ккал/(кг·град) и Дж/кг·град);
• коэффициент температуропроводности, м 2 /час и м 2 /сек.

Свойства льда и снега представлены в зависимости от температуры в интервале: для льда от 0 до -120°С; для снега от 0 до -50°С в зависимости от уплотненности (плотности). Температуропроводность льда и снега в таблице приведена с множителем 10 6 . Например, температуропроводность льда при температуре 0°С равна 1,08·10 -6 м 2 /с.

Давление насыщенного пара льда

В таблице приведены значения давления насыщенного пара льда при сублимации (переход льда в пар, миную жидкую фазу) в зависимости от температуры в интервале от 0,01 до -80°С. Из таблицы видно, что с понижением температуры льда давление его насыщенного пара снижается.

Источник

Плотность воды и льда. Что больше и почему?

Ещё со школьной скамьи все знают о том, что лёд не тонет в воде. Но в чём же причина, ведь, по логике, он должен быть тяжелее, чем вода. Всё дело в том, что на самом деле плотность льда меньше, чем плотность воды. Как такое возможно? Попробуем разобраться.

Почему плотность льда меньше плотности воды?

Почему вода в своём твёрдом состоянии (лёд) легче, чем вода в жидком состоянии? Ведь должно быть наоборот: при переходе из жидкого состояния в твёрдое плотность вещества должна увеличиться, а объём при этом уменьшиться. Это известно всем из школьного курса физики. Исключение составляет обычная вода. Когда она замерзает и переходит в состояние льда, то плотность её при этом уменьшается. А причина – в так называемых водородных связях. Кристаллическая решётка льда похожа на соты, в каждом из шести углов расположены молекулы воды, соединённые водородными связями. Расстояние между молекулами воды в твёрдом состоянии больше, чем в жидком, где они перемещались свободно и могли сближаться.

Что больше, плотность льда или воды: исключение из правил

Итак, мы выяснили, почему плотность льда меньше плотности воды. Но существует ещё одна интересная закономерность. Если воду охлаждать не сразу, а постепенно, то вплоть до температуры +4оС вещество действительно становится плотнее. То есть, на этом этапе никаких отклонений от нормы мы не наблюдаем. А пройдя эту отметку, вода становится легче и, в конце концов, образуется лёд, плотность которого меньше, чем плотность воды. Впервые на это необычное свойство обратил внимание ещё Галилео Галилей.

Причём после того, как температура воды становится ниже отметки +4оС, плотность падает скачкообразно – сразу на 8%. Насколько же различаются плотность воды и льда? Если принять плотность воды за единицу, то плотность льда будет составлять 0,91.

Что нужно знать?

После замерзания объём воды увеличивается на 9%. Именно это становится причиной того, что замёрзшая в трубах вода «рвёт» их.

Но если на коммунальном хозяйстве такие свойства воды сказываются крайне негативно, то обитателям водоёмов они спасают жизнь. Даже в самые холодные зимы озёра и пруды не промерзают до дна. Нижние слои воды охлаждаются до 4о, а верхние слои превращаются в лёд. Плотность льда меньше плотности воды, поэтому он не опускается на дно, позволяя водяным жителям перезимовать. Кроме того, в толще льда ещё и остаются воздушные пузырьки, они делают плотность льда ещё меньше, как и сам вес ледяной пластины.

Наглядно продемонстрировать, например, ребёнку, что вода расширяется при замерзании можно при помощи простого опыта. Достаточно налить воды в пластиковый стаканчик и оставить его на морозе. Через несколько часов можно наблюдать результат: стаканчик будет разорван или деформирован.

Ещё один интересный опыт, который понравится детям: возьмите пластиковую трубочку для коктейля, плотно залепите пластилином, и залейте туда воду, отметив маркером уровень. Поставьте трубочку в морозилку. Когда вода замёрзнет, будет видно, что уровень находится выше, чем первоначальный.

Плотность морской воды

Как ведёт себя пресная вода при замерзании, мы разобрались. А вот с морской водой всё немного по-другому. Дело в том, что она представляет собой фактически раствор солей (35 г слой содержится в 1 литре морской воды). Максимума своей плотности она достигает при температуре -3,5оС, но замерзает уже при -1,9 °C.

Самая чистая вода

Уникальные свойства льда не ограничиваются его молекулярной структурой. Достаточно распространено мнение о пользе для здоровья именно талой воды. Однако учёные с сомнением относятся к «чудодейственным» свойствам такой воды. Ведь во время таяния льда его кристаллическая структура практически сразу разрушается, а значит, межмолекулярные связи становятся таким же, как и у обычной воды.

Если вы заботитесь о своём здоровье, то лучше установить качественную систему очистки водопроводной воды. А перед этим сдать воду на анализ. Лаборатория «УкрХимАнализ» проведёт анализ водопроводной воды по ключевым показателям (выбирайте пакет «Базовый», «Расширенный» или «Максимальный») и даст необходимые рекомендации, как улучшить её качество.

Источник