Температура при которой лед расширяется

При какой температуре лед расширяется

Первым признаком зимы является плавающий на поверхности прудов и озер лед. Это может показаться тривиальным и не очень важным, но если бы вода вела себя аналогично практически всем другим жидкостям, никто бы не смог кататься на коньках на пруду, потому что лед опускался бы на дно сразу же после своего образования. Что еще хуже, Земля в этом случае, по-видимому, была бы безжизненной пустыней, так как большая часть воды лежала бы в виде льда на дне океанов, озер и рек.

Изменения вариаций вариации изменения ионной силы в изменении осмотического давления изменения давления пара изменения окислительно-восстановительного коэффициента изменения поверхностного натяжения повышения температуры замерзания вязкости за счет коллоидов.

Все эти эффекты ниже, чем быстрее происходит замерзание, и чем ниже температура хранения. Когда продукт медленно замораживается или когда во время хранения происходят колебания температуры, кристаллы льда, которые образуют растительную воду, связаны с белками, так что они дезорганизованы и затем не способны восстанавливать указанную воду во время оттаивания. так что эта вода, когда она теряется, истощает водорастворимые питательные вещества. Этот процесс изменяет текстуру пищи, производя упрочнение и даже уменьшая ее растворимость и питательную ценность.

Большинство жидкостей сжимаются при охлаждении, уменьшаясь в объеме и увеличивая свою плотность. Например, твердый свечной воск опускается на дно миски с более горячим расплавленным воском. Вода также сжимается, но только до тех пор, пока не достигнет 4°С (39°F). Ниже этой температуры вода начинает расширяться и ее плотность уменьшается. Поэтому лед легче воды, находящейся вблизи точки замерзания, и как результат, он плавает.

Пища может оставаться во внутреннем морозильнике в течение 3-12 месяцев безопасно и не влиять на ее качество. Время варьируется в зависимости от рассматриваемой пищи; Удобно следовать инструкциям на этикетке продукта. Для замораживания продуктов питания следует принять во внимание ряд мер предосторожности.

Это процесс, который делается до замораживания некоторых продуктов, чтобы облегчить его использование и замораживание. Он обычно используется в сыром мясе или готовят с эскалопами или гамбургерами, моллюсками и т.д. в основном он состоит из замораживания этих продуктов отдельно по отдельности, а затем их упаковки.

Как вода замерзает

1. Вода в пруду, охлажденная до 4°С (39°F), становится плотнее и опускается на дно. Более теплая и поэтому более легкая вода поднимается к поверхности, охлаждается и также опускается вниз.
2. Когда последняя порция воды охладится до 4°С (39°F), конвекция, под действием которой холодная вода опускается вниз, а более теплая вода поднимается вверх, прекращается. В этом случае вся вода имеет одинаковую температуру. Плотность воды также одинакова.
3. Когда вода в поверхностном слое охладится ниже 4°С (39°F), она расширяется и становится менее плотной. Поскольку вода при 3°С (37°F) легче, чем при 4°С (s39°F), более холодная вода остается наверху.
4. Поверхностный слой воды продолжает охлаждаться с дальнейшим уменьшением плотности. Наконец, при 0°С (32°F) поверхностный слой воды превращается в лед.

Температурное расширение и плотность воды

В зависимости от типа пищи, которую мы собираемся заморозить, мы должны ее обусловливать определенным образом. Не все продукты заморожены таким же образом. Отбеливатель, то есть кипятите между 2 и 4 минутами в зависимости от размера и толщины каждой детали. Из-за геометрии их молекул. Когда вода находится в жидкой форме, они близки друг к другу. Когда-то в твердом состоянии, подобно льду, они в конечном итоге отделяются. Это объясняется тем, что лед образуется молекулами воды, расположенными геометрически в виде кристаллов.

Когда они организуются таким образом, они оставляют больше зазоров между атомами, чем в жидком состоянии, как показано на иллюстрациях слева. Таким образом, лед становится менее плотным, чем вода, занимая больше места, чем он. Удивительно то, что это противоречит природе, поскольку в целом твердые тела занимают меньше пространства, чем жидкости.

При температурах выше 4°С (39°F) вода при охлаждении сжимается, достигая своей наибольшей плотности при 4°С. Однако, если охлаждение продолжается и температура падает ниже 4°С, вода начинает расширяться и ее плотность уменьшается. Количественно плотность равна массе единицы объема вещества и обычно измеряется в г/см 3 .

Воск и лед замерзают по-разному

Но это не значит, что чем теплее плотная вода. При этой температуре кристаллы все уже сломаны, а молекулы стали сильнее, чем когда-либо. При температуре выше 4 ° С поведение воды становится обычным: чем выше температура, тем больше перемешивание молекул. Атомы кислорода и водорода, которые образуют воду, расположены в пирамидальной форме, когда они находятся в форме льда. При этом пространство между ними намного больше в твердом состоянии, чем в жидкости.

Ноль градусов Цельсия: температура, при которой вода затвердевает и становится льдом. Это определение, вероятно, очень хорошо известно, но не всегда то, что мы наблюдаем, отражает его точно. Первое замечание, которое мы можем сделать, касается мороза. Одно замечание, которое можно сделать, состоит в том, что мороз образуется только тогда, когда небо становится ясным, а ключ — именно это. Если мы думаем о тепловом балансе, например, заднего стекла автомобиля, в зимнюю ночь мы имеем два вклада: стекло обменивается теплом конвекцией с окружающим воздухом и излучает электромагнитное излучение излучением.

На поверхности кубика льда образуется выпуклость (левый рисунок), потому что вода в центре кубика замерзает последней и, расширяясь по мере замерзания, может только подниматься вверх. В противоположность этому, в верхней части кубика воска образуется углубление, потому что воск (средний рисунок) сжимается после затвердевания. Жидкости, сжимающиеся при замерзании равномерно (правый рисунок) формируют вогнутую поверхность.

Это инфракрасное излучение вычитает энергию из стекла: если небо облачно, эта энергия отражается, и эффект становится пренебрежимо малым, но если небо ясно, эта энергия рассеивается вне атмосферы, а температура заднего стекла падает ниже нуля. В этот момент влажность воздуха, который конденсируется на поверхности, замерзает и становится морозом. В этом случае у нас есть образование льда, даже если температура воздуха ниже нуля.

В частности, мороз легче образуется на поверхностях с низкой теплопроводностью и низкой теплоемкостью, а также с большой горизонтальной поверхностью. Объединяя эти ингредиенты, у нас будет крыша на крыше, ничто на асфальте и непроницаемый литой на стекле. Когда температура падает ниже нуля, мы также можем наблюдать явление в некотором роде противоположным. На самом деле может случиться так, что температура воздушных слоев, в которых образуются осадки, выше, чем температура земли. В этом случае туман или дождь могут образовываться, когда все поверхности на земле находятся ниже нуля.

Время года и температура воды в озере

Летом вода теплее у поверхности, чем в глубине. Зимой озеро может покрыться льдом, и вода в глубине станет теплее, чем на поверхности.

ДАВЛЕНИЕ ЛЬДА. Физическая скалярная величина, характеризующая напряженное состояние сплошной среды. При условии равновесия среды давление равно взятому с обратным знаком нормальному напряжению, приложенному к произвольно ориентированной в данной точке площадке. При условии движения льда как среды, обладающей внутренним трением, под давлением Р понимают взятое с обратным знаком среднее арифметическое трех нормальных напряжений в данной точке, представляющее собой в этом случае также скаляр, равный одной трети линейного инварианта тензора напряжений.
В зависимости от обозначения ортогональной системы координат
Р = s = (sхх + sуу + szz)/3 = (s11 + s22 + s33)/3.
Эта сумма в механике сплошной среды называется средним, или гидростатическим, давлением.
В технической литературе при употреблении термина давление льда обычно имеют в виду силовое воздействие, оказываемое ледяным покровом или скоплением льдин на соприкасающиеся с ними берега, суда, гидротехнические сооружения и пр. Причем, за счет энергии движения ледяных масс, возникает динамическое давление, а за счет теплового расширения и сжатия льда, создается статическое давление. В этих случаях давление льда часто выражают в единицах силы на погонный метр.
ДАННЫЕ ЛЕДОВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ. Значения физических характеристик ледяного покрова, сведения о состоянии любого объекта, большой системы или ее элементарных частей, представленные в формализованном виде и предназначенные для обработки.
ДВИЖЕНИЕ КАРАВАНА С РЕДКИМИ (ЧАСТЫМИ) ОКОЛКАМИ СУДОВ. Движение каравана в сложных ледовых условиях, вызывающих полную остановку судов и необходимость окалки льда ледоколом в непосредственной близости к ним для их дальнейшего хода.
ДВИЖЕНИЕ СУДНА НАБЕГАМИ. Возвратно-поступательное движение судна с остановками хода, вызванными сложностью ледовых условий, и последующим разрушением ледяного покрова с разбега.
ДВИЖЕНИЕ СУДНА НЕПРЕРЫВНЫМ ХОДОМ. Поступательное движение судна без остановок хода в данных ледовых условиях.
ДЕФОРМАЦИЯ ЛЬДА. Характеристика изменения формы и размеров ледяного сплошного тела или его элементов вследствие воздействия внешних механических сил, теплового расширения и др.
АБСОЛЮТНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ ЛЬДА (АБСОЛЮТНОЕ УДЛИНЕНИЕ ЛЬДА) . Деформация, измеренная в единицах длины.
ДЕФОРМАЦИЯ ИЗГИБА ЛЬДА. Сложный вид деформации льда (обычно в виде пластины или стержня) , при котором в зависимости от направления действия изгибающего момента верхние и нижние слои льда испытывают напряжение сжатия или растяжения. Этот вид деформации характерен тем, что в пластине (стержне) имеется так называемая нейтральная плоскость, которая не сжимается и не растягивается.
ДЕФОРМАЦИЯ ОБЪЕМНОГО СЖАТИЯ ЛЬДА. Вид деформации, характеризующийся уменьшением объема льда, испытывающего действие всесторонней сжимающей (например, гидростатической) нагрузки.
ДЕФОРМАЦИЯ ОДНООСНОГО СЖАТИЯ ЛЬДА. Вид деформации, характеризующийся изменением линейных (поперечных, вследствие эффекта Похгаммера — Кри) размеров сжимаемого образца (призматической или цилиндрической формы) вдоль приложенной осевой сжимающей нагрузки.
ДЕФОРМАЦИЯ РАСТЯЖЕНИЯ ЛЬДА. Простейший вид деформации, характеризующийся удлинением элемента льда вдоль действия растягивающей нагрузки.
ДЕФОРМАЦИЯ СДВИГА ЛЬДА. Простейший вид деформации, характеризующийся изменением углов элементарных параллелепипедов тела без изменения размеров их граней. Она вызывается касательными напряжениями т (рис. 2). При сдвиге прямоугольный параллелепипед abcd превращается в косоугольный ab1c1d, но объем его не меняется. Перемещение b1b называется абсолютным сдвигом грани bс относительно грани ad; угол g называется углом сдвига, а tg g —относительным сдвигом. На практике сдвиг всегда сопутствует растяжению, сжатию и изгибу, так как во всех этих случаях одновременно с нормальными возникают и касательные напряжения.

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.

Казалось бы, что может быть обычнее льда? В средней полосе Евразии, где зима длится несколько месяцев, на севере, где зима продолжается большую часть года, да и в южных горных районах снег и лед – привычные компоненты ландшафта.

Между тем необычен сам процесс образования льда. Посмотрим, например, как изменяется объем воды при переходе из жидкого состояния в твердое, то есть при замерзании. Это изменение происходит совсем не так, как у других известных нам веществ. Все они, кроме висмута и галлия, сжимаются, сокращают объем по мере охлаждения. При затвердевании их объем значительно уменьшается по сравнению с такой же массой расплава.

Их плотность в твердом состоянии соответственно становится выше, чем в жидком.

При замерзании воды все происходит наоборот – плотность льда уменьшается, а объем увеличивается на 10% по сравнению с объемом, занимаемым той же массой воды.

Издавна люди знали это свойство льда. Не умея его объяснить, они, тем не менее, успешно им пользовались. Могучие постройки на севере Европы возводились из каменных монолитов, весящих сотни килограммов. Чтобы изготовить такие блоки, в скалах пробивали сравнительно неглубокие пазы или выбирали подходящие трещины. Перед наступлением зимних холодов их заливали водой, и образовавшийся лед выполнял роль взрывчатки. Так терпеливо, год за годом, люди дробили крепчайшие скалы, получали строительный материал, используя расширение воды при замерзании. Теперь наука может объяснить причину этого явления. Как видно из рис. 1.8, изменение объема воды с понижением температуры идет своеобразно. Сначала вода ведет себя, как и многие другие жидкости: понемногу уплотняясь, уменьшает свой объем. Это наблюдается вплоть до 4°С (точнее – до 3,98°С). При этой температуре как будто бы наступает кризис. Дальнейшее охлаждение уже не уменьшает, а постепенно увеличивает объем. Плавность резко прерывается при 0°С, кривая переходит в отвесную прямую, объем скачком возрастает почти на 10%. Вода превращается в лед.

Очевидно, при 3,98°С тепловые помехи в образовании ассоциатов начинают ослабевать настолько, что появляется возможность некоторой структурной перестройки воды в льдо-подобные каркасы. Молекулы взаимно упорядочиваются, местами складывается характерная для льда гексагональная структура1.

Эти процессы в жидкой воде как бы подготавливают полную структурную перестройку, и при 0°С она наступает: струящаяся вода становится льдом – кристаллическим твердым телом. Каждая молекула получает возможность соединиться водородными связями с четырьмя соседними. Поэтому в фазе льда вода образует ажурную конструкцию с «каналами» между фиксированными группами молекул воды.

Рис. 1.8. Зависимость относительного объема воды от температуры

Вероятно, со структурной перестройкой связано и еще одно своеобразное свойство воды – резкий скачок теплоемкости при фазовом переходе «вода – лед». Вода при 0°С имеет удельную теплоемкость 1,009. Удельная теплоемкость превратившейся в лед воды при этой же температуре вдвое ниже.

Благодаря особенности структурного перехода «вода – лед», в интервале 3,98…0°С природные водоемы достаточной глубины обычно не промерзают до дна. С наступлением зимних холодов верхние слои воды, охладившись примерно до +4°С и достигнув максимальной плотности, опускаются на дно водоема. Эти слои несут в глубины кислород и помогают равномерному распределению питательных примесей. На их место к поверхности поднимаются более теплые массы воды, уплотняются, остывая при контакте с приповерхностным воздухом, и, охладившись до +4°С, в свою очередь опускаются вглубь. Перемешивание идет до тех пор, пока циркуляция не исчерпается и водоем не покроется плавающим слоем льда. Лед надежно предохраняет глубины от сплошного промерзания – ведь его теплопроводность намного меньше, чем воды.

1 Гексагональная структура кристалла – строгая периодичность пространственного повторения структуры шестигранника, в узловых точках которого располагаются атомы, ионы или молекулы.

Источник