Расширение льда при таянии

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 расширяется при замерзании?

Когда вода замерзает, ее молекулы выстраиваются в кристаллическую структуру, тем самым приобретая определенную форму. Эта кристаллическая структура менее плотная, и поскольку между отдельными молекулами в структуре есть промежутки, общий объем увеличивается, и вода «расширяется».

С беглого взгляда фраза «вода расширяется, когда она замерзает» может не иметь смысла, потому что в жидкой форме вода не имеет определенной формы или очертаний и поэтому, кажется, занимает больше места. Кроме того, когда вода замерзает, она принимает четко определенную форму, которая кажется совершенно противоположной «расширению».

Действительно ли вода расширяется при замерзании?

Да, вода расширяется при замерзании. Обратите внимание, что слово «расширяется» в этом предложении означает увеличение объема. Поэтому технически правильно было бы сказать так: объем воды увеличивается при замерзании.

Это утверждение является точным, и вы можете проверить его правомерность с помощью простого эксперимента: если вы снизите температуру воды, вы заметите, что объем воды уменьшается, поскольку она становится все более и более «нетронутой».

Вы можете обратиться к следующей диаграмме, чтобы представить эту зависимость графически:

Обратите внимание, что объем воды начинает увеличиваться при понижении температуры ниже 4 градусов Цельсия.

Теперь давайте поговорим о том, почему увеличивается объем воды или почему она расширяется, когда замерзает и достигает твердой формы.

Почему объем воды увеличивается, когда она замерзает?

Это явление связано с химическим составом воды. Видите ли, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Расположение этих атомов совершенно уникально, что придает воде некоторые особые свойства, такие как высокая теплоемкость воды, поверхностное натяжение, адгезия и когезия.

Является ли вода полярной или неполярной?

Химическая структура молекулы воды.

Такое расположение молекулы воды создает положительно заряженную сторону возле атомов водорода и отрицательно заряженную сторону возле атома кислорода.

Когда две молекулы воды сближаются, положительная сторона одной молекулы цепляется за отрицательную сторону другой молекулы. Когда это происходит в больших масштабах (т.е. с миллионами молекул воды), получается уникальная структура, которая объясняет некоторые химические свойства воды.

В жидком состоянии молекулы воды могут свободно перемещаться, образуя и разрывая водородные связи, что объясняет неправильную форму воды (или любой другой жидкости, если на то пошло). Некоторые молекулы воды часто «уложены» друг на друга, что объясняет более высокую плотность воды по сравнению со льдом.

Расположение молекул воды в жидком состоянии.

Однако по мере снижения температуры и охлаждения воды межмолекулярные силы увеличиваются, свобода движения молекул воды уменьшается, и они становятся все менее энергичными (с понижением температуры).

Когда вода достигает точки замерзания, движение ее молекул становится незначительным, и они приобретают более определенную форму, располагаясь в виде шестигранных решеток.

Ниже приведен упрощенный вариант расположения молекул воды в кристаллической форме во льду:

Расположение молекул воды в твердой форме.

Это кристаллическое расположение молекул воды менее плотное, поскольку оно не позволяет молекулам скапливаться (как это происходит в жидкой форме) из-за более сильных межмолекулярных сил.

Такое расстояние между молекулами и их фиксация в таком положении увеличивает объем воды, поэтому говорят, что вода расширяется при замерзании.

Почему лед плавает по воде

Вода расширяется, когда становится льдом, и, поскольку объем обратно пропорционален плотности вещества, лед менее плотен, чем вода. По этой причине лед, вещество, которое кажется более тяжелым, чем его жидкая форма, плавает на воде.

Если бы вода не расширялась при замерзании, лед был бы плотнее воды. Подумайте о влиянии на экосистему планеты! Лед на поверхности озер, морей и океанов утонет, и эти водоемы будут постепенно заполняться снизу вверх. С замерзшими озерами и океанами на Земле не было бы водной жизни.

С этой точки зрения очень хорошо, что вода расширяется в твердой форме!

Источник

Расширение воды при замерзании

Наступает зима, а вместе с ней традиционно приходят аварии на водоопроводах. В сильные морозы основная причина таких аварий – замерзание текущей воды. При этом, как известно, происходит ее расширение, так что образующийся лед легко разрывает трубы (для справки: плотность льда – 917 кг/м 3 , плотность воды – 1000 кг/м 3 , то есть объем увеличивается в 1.1 раза, что довольно существенно). Аналогичное явление происходит, если на зиму оставить воду в емкостях с водой (например, на даче).

Для изучения данного явления в домашних условиях используем обычную консервную банку. В данной банке изначально было концентрированное молоко, которое было вылито через два аккуратно пробитых отверстия. Затем в банку заливается вода – так, чтобы внутри не осталось воздуха. Проще всего это сделать, погрузив ее в кастрюлю с водой. Когда из банки перестанет выходить воздух, она будет полностью заполнена водой.

После этого аккуратно запаиваем отверстия и помещаем нашу банку в морозильную камеру (зимой можно на улицу). Если подождать день-два, то станет хорошо заметно, как расширившаяся вода (лед) выдавила нижнюю крышку банки.

В качестве домашнего задания предлагаю следующие вопросы:

1. Почему замерзающая вода выдавливается именно нижнюю крышку, и практически не влияет на верхнюю? (хорошо видно на видео)

2. Что произойдет с банкой, если сейчас растопить лед, и снова заморозить? Если повторить такую процедуру несколько раз?

• 0lympian

  16 ноября 2010, 12:41

  Как запаять ПОЛНУЮ банку с водой? О_о

Ничего не получится – это уже опыт по теплопроводности и теплоемкости

0lympian

16 ноября 2010, 12:47

> 1. Почему замерзающая вода выдавливается именно нижнюю крышку, и практически не влияет на верхнюю?

Подозреваю, что в результате того, что лед легче незамерзшей воды, первые кристаллы льда всплывают, комбинируясь друг с другом и в верхней части замерзание происходит быстрее.

Стоит отметить, что с другой стороны, есть конвекция, которая будет действовать ровно наоборот, поднимая более теплую воду наверх, и препятствуя там ледообразованию. Однако мне кажется, что при медленном равномерном промерзании этот эффект нивелируется.

Ну а далее уже готовый лед, сформировавшийся в верхней части еще до сильного расширения, в некоторой степени «держит форму», не позволяя сильно деформироваться крышке.

0lympian

16 ноября 2010, 12:49

> 2. Что произойдет с банкой, если сейчас растопить лед, и снова заморозить?

Очевидно, что объем воды вернется к первоначальному. Однако за счет чего – тут есть предположение, что вдавится не донышко (оно сильно сводообразное стало), а боковая стенка банки.

Ну а при последующих циклах, пожалуй, баночка помнется еще сильнее, пока не порвется

Administrator

16 ноября 2010, 19:07

Как запаять ПОЛНУЮ банку с водой?

Согласен. Идеальное запаивание тут не получается. Так, наляпывание припоя сверху, лишь бы вода не вытекала. Кстати, в месте пайки действительно образуется водяной пар при нагреве паяльником.

Очевидно, что объем воды вернется к первоначальному. Однако за счет чего – тут есть предположение, что вдавится не донышко (оно сильно сводообразное стало), а боковая стенка банки.

Если бы баночка была абсолютно герметична – тогда да, вдавилась бы боковая стенка. А так все равно воздух проникает. Поэтому после разморозки получается, что сверху появляется воздух, во время заморозки дно выдавливается еще сильнее, и так далее, пока совсем его не вырвет.

P. S. Сегодня разморозил банку, и поставил на второе замораживание. Посмотрим, что из этого получится.

владимир

16 ноября 2010, 20:32

1. пробовал запаять не выходит! смог только заварить полуавтоматом (электро–сваркой) заморозил, разморозил дно не втянулось подумал из–за воздуха, взял другую банку впаял пипку от камеры проверил воздухом на 2 атм утечек нет залил воды воздуха нет! заморозил разморозил бока почти не втянулись проверил через час появилось избыточное давление и мне кажется что при заморозке и разморозке воды выделяется растворенный в ней воздух потому и бока не втягиваются
2, вода кристаллизуется сверху (река зимой, бочка с водой) лед легче воды, думаю, что и холодно–проводность.

Administrator

17 ноября 2010, 14:53

Владимир, вы серьезно подошли к эксперименту. Не написали самое главное – какие банки брали, и что произошло с ними при заморозке воды.

владимир

17 ноября 2010, 21:27

банка такая же как и ваша из–под молока произошло все анологично как у вас после разморозки слегка спало напряжение размораживал при комнатной температуре мне кажется стоит учитывать температуру воды в моем случае это 7 градусов, а комнатная 25 градусов тоже наверное влияет. сейчас проверяю что будет если банки положить набок швом к верху и швом к низу!

Administrator

18 ноября 2010, 06:21

сейчас проверяю что будет если банки положить набок швом к верху и швом к низу!

Интересно! Дайте ссылки на фотографии результатов, если будет возможность.

Евгений

12 января 2011, 18:01

> 1. Почему замерзающая вода выдавливается именно нижнюю крышку, и практически не влияет на верхнюю?
Пологаю что процесс заморозки, учитывая то что банка находилась в пластиковой таре, протикал не ровномерно. Первым стала замерзать верхняя часть банки потому как она была ближе к холоду нижняя же часть нахоидась там где между стенками пластика и ж. банки находился воздух чуть теплее чем с верху. Далее обледенение внутр верхней части банки придовало ей дополнительную прочность но превращаясь в лед вода расширялась и давила на жидкость в нижней части ж. банки.

гражданина

13 июля 2011, 20:46

> 1. Почему замерзающая вода выдавливается именно нижнюю крышку, и практически не влияет на верхнюю?

1. лед образуется сверху. это обусловлено тем, что остывающая (а не замерзающая вода как пишет автор) поднимается к верху за счёт того что при остывании (от 4 градусов до 0) плотность уменьшается.
2. остывающая (а не замерзающая вода как пишет автор) за счет увеличения обьема давит уже не на крышку а на ледяную «шайбу» которая распределяет усилие по всей площади крышки равномерно. наиболее «слабая» часть крышки (от центра) подвергается такому же давлению что и наиболее «сильные» части (возле боковых стенок). вследствие этого усилие создаваемое остывающей водой гаситься «сильной» частью крышки. в нижней же части льда нет, вода давит на «сильные» части, они не прогибаются, общее давление переходит на «слабые» части, не поглощаясь «сильными» (потому что усилие через воду передается во всех направлениях). както вот так.

Wulkan

24 августа 2011, 08:24

Запаивание банки это все ерунда, на даче стояла бочка с водой без крышки, и к весне у нее выдавило днище. скорее всего промерзание идет сверху вниз и внизу создается избыточное давление. лед примерзший к стенкам не дает расширения вверх

Andrey

23 октября 2011, 04:17

Тов. Ученые! А может кто подскажет какое давление оказывает замерзающая вода и образовавшийся лед на стенки сосуда?

Scolar

4 ноября 2011, 12:27

Спасибо, интересный эксперимент! Особенно интересно, что именно нижняя крышка выдавилась. Интересно, это зависит от того, стоит ли банка на ней в морозильнике, или подвешена, к примеру, на пластиковых элементах? Существует также такой фактор, как плавление воды при повышении давления (зависит также от температуры), из–за чего коньки скользят по льду и т. д.

Kalstrams

1 мая 2012, 20:53

Не мудрите. Продавило низ, потому что гравитация работает и на эту банку + то, что с низу самая большая плотность воды при замерзании, по-этому не верху банально не было столько же массы для расширения, сколько ее было снизу.

Давление вычислит можно по p1/p2 = ((n вода)/(n лед))*T1/T2

Выдавится всегда нижняя крышка, разве что банка будет замерзать в условии постоянного вращения. Или в условии отсутствия воздействия гравитации.

Что-бы получить температуру льда для уравнения выше, мерим температуру банки, Q1=Q2, Q1=c*m*dT (банка)
Q2=c2*m2*dT2 + dL*m + c3*m2*dT3
вода охлаждается + вода кристаллизуется + лед охлаждается
dT3 = (c*m*dT-c2*m2*dT2-dL*m)/(c3*m2)

Это будет изменение температуры льда.
Подставите его в T=0+273-dT3 — будет температура Т2.
Температура T1 — воды — термометром когда вода войдет в термодинамическое равновесие с банкой.

p2 — давление льда, p1=pa+((m*9.8)/S(дна))

Вроде бы и все.
Получите p2, который будет равен величине давления, необходимого что-бы выдавить вашу банку на сколько-то.

В упрощенной форме эта задача выглядит так, и результат не абсолютно точен. Для точности тут надо было-бы проинтегрировать, да думаю это перебор.

Источник