Плотность льда больше или меньше

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 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

Аномальная плотность льда и воды

Вода – загадочная жидкость. Это связано с тем, что большинство ее свойств являются аномальными, т.е. отличными от других жидкостей. Причина кроется в ее особой структуре, которая обусловлена водородными связями между молекулами, изменяющимися с температурой и давлением. Этими уникальными свойствами обладает и лед. Стоит сказать, что определение плотности возможно осуществить по формуле ρ = m/V. Соответственно, данный критерий возможно установить через исследование массы вещества среды на единицу объема.

Вторая загадка заключается в вопросах: «Почему лед может плавать на поверхности воды?», «Почему она в реках не замерзает до дна?» Дело в том, что плотность льда оказывается ниже, чем у воды. А в процессе плавления любой другой жидкости ее плотность оказывается меньшей, нежели у кристалла. Это связано с тем, что в последнем молекулы обладают некой периодичностью и расположены регулярно. Это характерно для кристаллов любых веществ. Однако, кроме этого, у них молекулы «упакованы» достаточно плотно. В процессе плавления кристалла регулярность исчезает, что возможно только при менее плотной связи молекул. Соответственно, плотность вещества уменьшается в процессе плавления. Но меняется этот критерий совсем немного, например, при плавке металлов он понижается в среднем всего на 3 процента.

Объясняются данные загадки особенностями структуры льда. Она представляет собой сетку водородных связей, где в каждом узле их четыре штуки. Поэтому сетку называют четверной. Все углы в ней равны qT, поэтому она носит название тетраэдрической. Более того, она состоит из шестичленных колец изогнутой формы.

Особенностью структуры твердой воды является то, что упакованы молекулы рыхло в ней. Если бы они находились в тесной взаимосвязи, то плотность льда была бы равна 2,0 г/см3, а в реальности она составляет 0,92 г/см3. Из этого должен был следовать вывод, что наличие больших пространственных объемов должно привести к появлению неустойчивости. На самом деле сетка не становится менее крепкой, но она может перестраиваться. Лед — настолько крепкий материал, что еще предки современных эскимосов учились строить из него свои хижины. И по сей день жители Заполярья используют ледобетон как строительный материал. Соответственно, при повышении давления структура льда меняется. Именно в этой устойчивости состоит главное свойство водородных связей сеток между молекулами Н₂О. Соответственно, каждая водяная молекула и в жидком состоянии сохраняет четыре связи водорода, но при этом углы становятся отличными от qT, это и приводит к тому, что плотность льда меньше, чем у воды.

Источник