Почему вода, замерзая, увеличивается в объёме?

Все интересное просто

Как можно подробнее рассказать об этом интересном явлении? Итак, представим себе процесс, который протекает в воде. Этот процесс называется конвекцией: обмен энергией посредством струек. Течения и струйки есть даже в стоячей воде, от них никуда нельзя деться и даже современные ученые до сих пор не смогли выяснить, что же именно кроется за природой движения воды. Поэтому обмен энергий протекает постоянно. Если идет обмен энергией, то меняется и температура. Добавив к этому изменение плотности, получим, что вода, которая обладает большей плотностью, опускается на дно. Но она не может замерзнуть, ведь она слишком теплая для этого.

Таким образом, на освободившееся место выдвигается вода менее плотная, то есть, уже перешедшая точку в +4 градуса и приближающаяся к нулю. Эта вода имеет все шансы замерзнуть. Итак, основные характеристики, показывающие и доказывающие, что вода более плотная и тяжелая, а лед легче. Прежде всего, это наличие пузырьков воздуха или какого-либо газа (ведь вмерзнуть может как воздух, так и отдельно взятый газ). Во-вторых, низкая плотность и, как следствие, больший объем. Все вместе это дает лишь чуть меньшую плотность.

И если массы льда легче того же объема воды, то совершенно ненамного. Представьте себе разницу лишь в десять процентов. В куске льда может быть огромное количество полостей, но при этом общий их объем будет очень мал. Можно представить себе, что если айсберг плывет по воде, то под кромкой воды скрыто 90% общей массы айсберга. Невероятные объемы и веса, которые порой кажутся просто фантастическими. И все же эти объекты плавают.

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 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.

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.

нагретого пламени, а во втором-то же самое количество теплоты исходит от сравнительно холодного железа.

Опыты показали, что никакой разницы в обоих случаях не существует, а потому теплота, рассматриваемая по отношению к ее способности нагревать тела и изменять их состояние, есть количество, подлежащее точному измерению, и не может представлять
качественных

отличий.


К. Максуэлл.

„Теория теплоты»,


% 1883.

Расширение воды при замерзании.

Начиная с 4°Ц. до самой точки замерзания, вода при охлаждении расширяется, а когда она превращается в лед, расширение ее совершается быстро и внезапно. Лед, как известно, плавает на воде, потому что, вследствие расширения, он становится легче ее.

Сила, с которою происходит эт*о расширение воды при замерзании, огромна. Чтобы составить себе понятие об этой напряженности, сделаем опыт: вода наливается в железный сосуд, стенки которого имеют полдюйма толщины. Количество воды не велико, но она наполняет сосуд; после этого,он плотно закрывается крышкой, навинчиваемой на его шейку. Б^ерем и другой такой же сосуд. Погрузим оба сосуда в охлаждающую смесь. Они постепенно охладевают, вода внутри них доходит до своей точки наибольшей плотности, и без сомнения в этот момент не совершенно наполняет бутылки, а оставляет внутри небольшую пустоту. Но скоро сжатие воды прекращается, наступает расширение; пустота медленно заполняется; вода постепенно переходит из жидкого состояния
h
твердое, причем объем ее увеличивается, и этому увеличению объема сопротивляются стенки железного сосуда. Но их сопротивление бессильно перед молекулярными силами: молекулы-это замаскированные гиганты. Раздается треск: бутылка разрывается кристаллизующимися частицами; то же происходит и с другою бутылкой.

В другом опыте с громким взрывом лопались толстые стенки артиллерийской бомбы: бомба была наполнена водою, туго завинчена и поставлена в кадку с охлаждающей смесью. При выполнении этого опыта надо покрывать кадку толстым холстом: когда я не делал этого, обломки бомбы подбрасывало под потолок.

Теперь вам понятно действие мороза на водопроводные трубы в домах. Обычно думают, что разрыв труб происходит во время таяния льда в трубах *), но на самом деле это происходит во время замерзания:

*)

Вследствие

дурной

теплопроводности

стен

и

почвы,

холод

весьма

медленно

про­

никает

через

них

и

достигает

водопроводных

труб

в

домах

(особенно

в

подвалах)

с

зна­

чительным

опозданием-нередко

лишь

тогда,

когда

вне

здания

успела

уже

после

морозов

наступить

оттепель;

в

этом,

по

всей

вероятности,

и

следует

видеть

причину

распространен­

ного

заблуждения,

будто

водопроводные

трубы

лопаются

не

в

мороз,

а

в

оттепель,

т.-е.

не

от

замерзания

воды,

а

от

таяния

льда.-

Сост.

Добавки

Даже без давления вы можете получить жидкую воду при минусовой температуре, используя добавки. Такие добавки, как соль, могут помешать сформировать твёрдое тело и понизить температуру замерзания воды. 

Соль состоит из сильных ионов натрия и хлора. Растворённые в воде, молекулы воды присоединяются к ионам соли, и поэтому не замерзают как охотно. По мере того, как вы добавляете больше соли в воду, точка замерзания продолжает падать, пока вода не достигнет насыщения и не сможет удерживать соль. 

Если добавить достаточное количество соли, температура замерзания воды может упасть до -21 градуса Цельсия. 

Этот факт означает, что вода при температуре -21 градус Цельсии может всё ещё быть жидкой (с достаточным количеством соли).

Это мощное свойство соли можно также использовать для того, чтобы дать льду превратиться обратно в воду. Посыпание солью ледяных тротуаров снижает температуру замерзания льда ниже температуры окружающей среды, и лёд тает. 

Но посыпать солью обледеневшие дорожки не поможет, если температура окружающей среды ниже -21 градуса по Цельсию. 

Воздействие соли на точку замерзания воды также оказывает глубокое воздействие на океаны Земли.

Ссылка на основную публикацию