Почему вода стала льдом

Почему вода замерзает?

Вода — архиважное вещество для любого живого существа и для всей планеты в целом. Исключительно благодаря наличию воды на нашей планете когда-то смогла зародиться жизнь и исключительно благодаря физическим и химическим свойствам воды жизнь получила возможность развиваться и распространяться. Но задумывались ли вы когда-нибудь о этих самых свойствах, задавали ли себе вопрос: «Почему вода так просто меняет свои физические состояния и что позволяет ей это делать?»

Вода — неорганическое соединение бинарного типа, т.е. образованное атомами двух разных химических элементов. В состав одной молекулы воды входят два атома водорода и один атом кислорода.

На Земле, благодаря нормальным температуре и давлению, подавляющее большинство воды находится в жидком состоянии — около 98%, еще 1,7% приходится на ледники и приблизительно 0,001% содержится в атмосфере в газообразном состоянии. Существование сразу трех агрегатных форм в относительно узких температурных рамках (имеются ввиду климатические условия Земли) обусловлено особыми физическим строением молекул воды и связями между ними.

Переходы воды из одного агрегатного состояния в другое обусловлены ее физическими свойствами, в частности особенностями молекулярных связей и сменой их свойств под воздействием определенных условий окружающей среды.

При температуре от 1 до 99 градусов Цельсия молекулы воды находятся в постоянном движении, обусловленном тепловой энергией. При этом каждая молекула воды связана одновременно с четырьмя другими молекулами, эта связь постоянно стремиться к образованию определенной упорядоченной структуры, но тепловое движение этому препятствует. Всю эту сложную научную «билиберду» можно объяснить немного проще: все молекулы воды связаны между собой, но их движение относительно друг друга не дает им принять какую-то определенную структуру. Это легко можно проследить на примере, налив воды в стакан — вода моментально примет форму стакана, но сама по себе удержать эту форму не может.

Приблизительно так выглядят молекулы воды в жидком состоянии. Каждая молекула соединена с четырьмя другими, и все они находятся в постоянном движении.

При температуре 0 °С энергия молекулярных связей начинает преобладать над энергией теплового движения. В результате термическая энергия больше не препятствует образованию строго упорядоченной структуры. Расстояние между молекулами увеличивается, плотность воды, наоборот, снижается и образуется так называемая кристаллическая структура воды, или попросту лед. Именно благодаря образованию упорядоченной и стабильной структуры лед может держать форму.

Кристаллическая решетка воды. Красные шарики — атомы кислорода, серые — атомы водорода. Серые пунктирные линии — водородные связи.

При температуре 0 °С энергия молекулярных связей преобладает над энергией теплового движения, — формированию упорядоченной структуры больше ничего не мешает и образуется так называемая кристаллическая структура воды, или попросту лед.

При температуре 100 °С происходит разрыв молекулярных связей, в следствии чего молекулы отделяются друг от друга и вода переходит в фазу пара (газообразного состояния). Для разрыва связей необходимо большое количество энергии, т.е. тепла.

В качестве обобщения, можно сказать, что переходы воды из одного агрегатного состояния в другое обусловлены ее физическими свойствами, в частности особенностями молекулярных связей и сменой их свойств под воздействием определенных условий окружающей среды.

Несколько интересных фактов о фазовых состояниях воды:

— Задумывались ли Вы когда-нибудь, почему вода замерзает при температуре именно 0 °С и переходит в парообразное состояние при 100 °С? Дело в том, что на основе этих значений и была построена шкала измерения температуры «по Цельсию» шведским ученым Андерсом Цельсием.

— Значения 0 и 100 °С для замерзания и кипения воды соответственно справедливы только для стандартного давления (1 атмосфера или 10 Паскалей). При повышении давления температура кипения воды и плавления льда растет. Например при давлении в 6 атмосфер вода начнет кипеть только при 158 градусах Цельсия.

— Помимо жидкого, газообразного и твердого состояния вода может существовать и в других фазах: перегретая жидкость, пересыщенный пар и переохлажденная жидкость.

— Вода может одновременно находиться в трех агрегатных фазах при строго определенных значениях давления и температуры. Это состояние носит название «Тройная точка воды» и наблюдается при 0,01 °С и 611,657 Па.

Источник

Вода при замерзании расширяется или сжимается: простая физика

Многие юные почемучки задаются вопросом: при замерзании вода расширяется или сжимается? Ответ следующий: с приходом зимы вода начинает свой процесс расширения. Почему это происходит? Это свойство выделяет воду из списка всех остальных жидкостей и газов, которые, наоборот, сжимаются при охлаждении. В чем заключается причина такого поведения этой необычной жидкости?

Физика 3 класса: вода при замерзании расширяется или сжимается?

Большинство веществ и материалов увеличиваются в объеме при нагревании и уменьшаются при охлаждении. Газы этот эффект показывают более заметно, но различные жидкости и твердые металлы проявляют такие же свойства.

Одним из наиболее ярких примеров расширения и сжимания газа является воздух в воздушном шаре. Когда мы выносим воздушный шар на улицу в минусовую погоду, то шар сразу уменьшается в размерах. Если мы шар вносим в отапливаемое помещение, то он сразу же увеличивается. А вот если мы внесем воздушный шар в баню — он лопнет.

Молекулы воды требуют больше места

Причиной тому, что происходят эти процессы расширения и сжатия различных веществ, являются молекулы. Те из них, которые получают больше энергии (это происходит в теплом помещении), двигаются намного быстрее, чем молекулы, находящиеся в холодном помещении. Частицы, которые имеют большую энергию, сталкиваются намного активнее и чаще, им необходимо больше места для движения. Чтобы сдержать то давление, которое оказывают молекулы, материал начинает увеличиваться в размерах. Причем это происходит достаточно стремительно. Итак, вода при замерзании расширяется или сжимается? Почему это происходит?

Вода не подчиняется этим правилам. Если мы начинаем охлаждать воду до четырех градусов Цельсия, то она уменьшает свой объем. Но если температура продолжает падать, то вода вдруг начинает расширяться! Существует такое свойство, как аномалия плотности воды. Это свойство возникает при температуре в четыре градуса Цельсия.

Теперь, когда мы выяснили, расширяется или сжимается вода при замерзании, давайте узнаем, как вообще возникает эта аномалия. Причина таится в частицах, из которых она состоит. Молекула воды создана из двух атомов водорода и одного — кислорода. Формулу воды все знают еще с начальных классов. Атомы в этой молекуле притягивают электроны по-разному. У водорода создается положительный центр тяжести, а у кислорода, наоборот — отрицательный. Когда молекулы воды сталкиваются друг с другом, то атомы водорода одной молекулы переходят на атом кислорода совершенно другой молекулы. Этот феномен называется водородной связью.

Воде нужно больше места при ее охлаждении

В тот момент, когда начинается процесс формирования водородных связей, в воде начинают возникать места, где молекулы находятся в том же порядке, что и в кристалле льда. Эти заготовки называются кластерами. Они не прочны, как в твердом кристалле воды. При повышении температуры они разрушаются и меняют свое местоположение.

Во время процесса охлаждения воды начинает стремительно увеличиваться количество кластеров в жидкости. Они требуют больше пространства для распространения, вследствие этого вода и увеличивается в размерах после достижения своей аномальной плотности.

При падении столбика термометра ниже нуля кластеры начинают превращаться в мельчайшие кристаллы льда. Они начинают подниматься вверх. Вследствие всего этого вода превращается в лед. Это очень необычная способность воды. Данный феномен необходим для очень большого количества процессов в природе. Мы все знаем, а если не знаем, то запоминаем, что плотность льда незначительно меньше плотности прохладной или же холодной воды. Благодаря этому лед плавает на поверхности воды. Все водоемы начинают замерзать сверху вниз, что позволяет спокойно существовать и не замерзать водным обитателям на дне. Итак, теперь мы в подробностях знаем о том, расширяется или сжимается вода при замерзании.

Интересный феномен

Горячая вода замерзает быстрее холодной. Если мы возьмем два одинаковых стакана и нальем в один горячей воды, а в другой столько же холодной, то мы заметим, что горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Это не логично, согласитесь? Горячей воде нужно остыть, чтобы начинать замерзать, а холодной этого не нужно. Как объяснить данный факт? Ученые по сей день не могут объяснить эту загадку. Данный феномен имеет название «Эффект Мпембы». Открыт был в 1963 году ученым из Танзании при необычном стечении обстоятельств. Студент хотел сделать себе мороженое и заметил, что горячая вода замерзает быстрее. Об этом он поделился со своим учителем физики, который сначала не поверил ему.

Источник

Почему вода замерзает?

Вода является не только одним из самых необходимых, но и самых удивительных явлений на нашей планете.

Известно, что фактически все вещества, имеющие природное или искусственное происхождение способны находиться в разных агрегатных состояниях и менять их в зависимости от условий окружающей среды. И хотя ученые знают более десятка фазовых состояний, некоторые из которых можно получить только в пределах лаборатории, в природе чаще всего встречается только три подобных состояния: жидкое, твердое и газообразное. Вода может пребывать во всех трех этих состояниях, переходя из одного в другое в естественных условиях.

Почему вода замерзает

Вода, находящаяся в жидком состоянии имеет слабо связанные молекулы, которые пребывают в постоянном движении и пытаются сгруппироваться в структуру, но не могут сделать этого из-за тепла. В таком виде вода может принимать абсолютно любую форму, но не в состоянии самостоятельно ее удерживать. При нагревании молекулы начинают двигаться намного быстрее, они отдаляются друг от друга, а когда постепенно вода переходит в газообразное состояние, то есть превращается в водяной пар, связи между молекулами окончательно рвутся. При воздействии же на воду низких температур движение молекул сильно замедляется, молекулярные связи становятся очень прочными и молекулы, которым больше не мешает воздействие тепла, упорядочиваются в кристаллическую структуру, имеющую шестигранную форму. Все мы видели подобные шестигранники, выпадающие на землю в виде снежинок. Процесс превращения воды в лед называется кристаллизацией или застыванием. В твердом состоянии вода надолго может сохранять любую принятую ею форму.

Процесс кристаллизации воды начинается при температуре 0 градусов по шкале Цельсия, имеющей 100 единиц. Данная измерительная система используется во многих странах Европы и в СНГ. В Америке же температуру измеряют при помощи шкалы Фаренгейта, которая обладает 180 делениями. По ней вода переходит из жидкого состояния в твердое при 32 градусах.

Однако вода не всегда замерзает при этих температурах, так очень чистую воду можно переохладить до температуры — 40 °С и она не замерзнет. Дело в том, что в очень чистой воде нет примесей, служащих основанием для построения кристаллической структуры. Примесями, к которым крепятся молекулы, могут выступать частички пыли, растворенные соли и т.д.

Особенностью воды является тот факт, что в то время как при замерзании другие вещества сжимаются, она, преобразовавшись в лед, напротив, расширяется. Происходит это потому что, когда вода переходит из жидкого состояния в твердое, расстояние между ее молекулами немного увеличивается. И поскольку лед имеет меньшую плотность, чем вода, он плавает на ее поверхности.

Говоря о замерзании воды, нельзя не упомянуть и тот интересный факт, что горячая вода застывает быстрее холодной, как бы парадоксально это не звучало. Данное явление было известно еще во времена Аристотеля, но ни знаменитому философу, ни его последователям так и не удалось разгадать эту тайну и о феномене забыли на долгие годы. Вновь о нем заговорили лишь в 1963 году, когда школьник из Танзании Эрасто Мпемба обратил внимание, что при приготовлении мороженого быстрее застывает лакомство сделанное из подогретого молока. Мальчик рассказал об этом своему учителю физики, но тот поднял его на смех. Лишь в 1969 году познакомившись с профессором физики Деннисом Осборном, юноша он смог найти подтверждение своей догадки, после совместно проведенных экспериментов. С тех пор выдвигалось много гипотез относительно этого феномена, например, что горячая вода замерзает быстрее за счет своего быстрого испарения, которое приводит к уменьшению объема воды и, как следствие, более быстрому застыванию. Но ни одна из них так и не смогла объяснить природу данного явления.

Автор: Анна Виннер
Дата публикации — 17.09.12.
Перепечатка без активной ссылки запрещена

Вы можете приложить к своему отзыву картинки.

Источник

Почему вода замерзает? Описание, фото и видео

Вода – это вещество, которое может наблюдаться в трех агрегатных состояниях. Она может замерзать и быть твердым льдом, она бывает в жидкой форме, и также она присутствует в виде пара – не только в бане, но и в небе, в виде облаков. Однако в рамках данной статьи остановимся на первом ее состоянии, твердом.

Вода замерзает, образуя кристаллики твердого льда. Лед может формировать многокилометровые поверхности, покрывая реки, озера и другие водоемы. При этом он оказывается легче жидкой воды и всегда находится сверху. Замерзает вода из-за понижения температур.

Температуры и агрегатное состояние веществ

Чем выше температуры, тем дальше отстоят между собой молекулы любых веществ. Их отдаление друг от друга приводит к размягчению вещества, которое сначала становится жидким, а потом и вовсе газообразным. Этот процесс можно рассмотреть на примере железа, которое плавится в тигле и обретает жидкую форму. При сильном повышении температур оно может стать и газообразным, то есть, испариться, но для этого температура должна быть по-настоящему высокой.

Вода же при обычной комнатной температуре является жидкостью. При повышении температур она станет паром, а при понижении – льдом. Ведь понижение температуры имеет обратное влияние на молекулы – они сближаются. А при их сближении вещество становится тверже, плотнее. Такого же эффекта можно добиться при механическом прессовании любого вещества- оно станет тверже, опять же из-за сближения молекул.

Что происходит при понижении температур?

Когда на воду оказывается влияние пониженных температур, молекулы сближаются, образуя шестигранные формы. Разумеется, это снежинки, которые являются кристаллами воды. Остывание воды и ее кристаллизация – это фактически синонимы, описывающие один и тот же процесс. Вода начинает кристаллизоваться при температуре в 0 градусов – именно этот момент и взят за нулевую отметку по шкале Цельсия. Если рассматривать американскую шкалу Фаренгейта, то здесь застывание воды будет происходить при 32 градусах.

Но для создания кристаллов воды нужна основа, какие-либо примеси или взвеси, благодаря которым стартует этот процесс. И если вода абсолютно чистая, здесь наблюдается несколько другое явление – порой она застывает только при -40 градусах, а при нуле и других не слишком низких отметках остается жидкой. Однако не замерзает она только в спокойном состоянии. Если ее взболтать при минусовых отметках, она немедленно превратится в лед.

Интересные факты

С водой связано множество парадоксов. И кроме уже описанного выше нюанса, необходимо отметить, что лед занимает больше объема, чем жидкая вода, то есть, при замерзании это вещество расширяется, в то время как другие наоборот занимают меньше объема при низких температурах. Именно с расширением воды при формировании льда и связано лопание бочек, труб и других объектов, оставленных на зиму заполненными водой.

На момент замерзания молекулы немного отдаляются друг от друга, что и дает такой эффект. И именно этот фактор, наряду с вмерзшими пузыриками воздуха, делает лед плавучим. Если бы он тонул или формировался со дна, ни одно живое существо в водоемах не смогло бы перезимовать. Но формируясь именно на поверхности, и оставаясь там, лед наоборот сохраняет тепло воды и выполняет защитную функцию в зимнее время, давая животным, растениям и рыбам возможность перезимовать и выжить.

Есть и другие интересные феномены. Так, практика показала, что горячая вода замерзает быстрее холодной, и это явление с удивлением наблюдали еще во времена античности. На данный момент существует несколько гипотез, объясняющих этот парадокс, но окончательного ответа так и не было найдено.

Вода – это загадочная стихия, и чем больше люди погружаются в ее изучение, тем больше необъяснимых загадок она приносит. На данный момент установлено, что она обладает памятью, может быть мертвой или живой. Она является универсальным растворителем, и имеет массу других уникальных качеств. Несмотря на ее изобилие и распространенность на нашей планете, она все еще сохраняет множество своих загадок, и с большинством из них ученым приходится только мириться. Ведь спорить с фактами затруднительно.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник