• Температура замерзания воды

    26 ноября, 2021 Нет комментариев

    Вода занимает две третьих земной поверхности и примерно столько же – в организме каждого из нас. Вода повсюду, однако до сих пор не изучена до конца, и даже самые простые ее свойства оставляют множество вопросов. Например, каждый школьник знает, что H2O может быть в трех состояниях: в жидком это вода, в газообразном – пар, и в твердой форме – лед. Но так ли очевиден ответ на вопрос, при какой температуре замерзает вода?

    Что влияет на градус замерзания?

    Представим, что у нас есть идеальная среда с температурой ровно 0°C – общеизвестно, что вода замерзает именно при этом градусе – и в эту среду мы помещаем кусочек льда и воду в жидком состоянии. Что произойдет? Собственно, ничего: вода не замерзнет, а лед не начнет таять. Объяснение в том, что в данной модели нет условий для фазового перехода.

    Простыми словами: помимо снижения температуры до определенного градуса, на замерзание воды влияют и другие факторы. Один из них – атмосферное давление, которое создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. И температура замерзания воды находится в прямой зависимости от давления.

    Рассмотрим это на примере: чем выше мы поднимаемся над уровнем моря, ниже становится атмосферное давление и тем выше должна быть температура для кристаллизации воды. На высоте в 1000 метров вода замерзает при температуре +2 °C; поднявшись еще на километр, мы увидим, что вода кристаллизируется уже при +4 °C.

    Температура замерзания воды в зависимости от показателя

    Чтобы четко определить температуру замерзания, нужно сначала понять, как связаны эти 2 параметра.

    Как взаимосвязаны давление и температура замерзания?

    При увеличении давления, температура замерзания снижается, при уменьшении – t° растет. Существуют специальные формулы, которые помогают рассчитать конкретное значение.

    Давление замерзающей воды обусловлено тем, что происходит ее расширение. Однако давление она оказывает и в жидком виде, просто при отрицательных температурах оно увеличивается примерно на 10%.

    Таблица таких соотношений выглядит следующим образом:

    Температура, °С Давление, мПа
    0 0,1
    -1 1
    -2 30
    -3 40
    -4 50
    -5 60
    -10 110
    -22 210

    Взаимосвязаны ли температура замерзания воды и высота?

    Как известно, на высоте происходит изменение давления,поэтому температура перехода в твёрдое состояние всех водных растворов на высоте отличается от температуры на обычной поверхности.

    Примеры изменения температурных показателей на высоте:

    • высота 500 м – температура замерзания воды, является не ноль °C, как при обычных условиях, а при наличии уже одного °C;
    • высота 1500 м – кристаллизация происходит при наличии около трёх° C и т.д.

    Замерзание воды с примесями

    Также, кроме давления и температуры, на замерзание воды влияет ее состав: в ней в том или ином количестве находятся органические и минеральные частицы, то есть кусочки глины, песка, пыли. Когда температура в окружающей среде снижается до необходимого градуса, вокруг этих частиц образуются кристаллы: кусочки пыли, песка, камня выполняют роль ядрового центра, вокруг которого начинается процесс кристаллизации.

    А в дистиллированной (очищенной) воде процесс замерзания протекает иначе: поскольку в ней нет потенциальных ядер кристаллизации, вода может охладиться до минусовой температуры, но не замерзнуть.

    Итак, время замерзания воды зависит от таких факторов:

    • атмосферное давление в окружающей среде;
    • температура воздуха;
    • количество жидкости;
    • ее химический состав;
    • в какой емкости находится H2O (или отсутствие емкости).

    Как происходит процесс замерзание воды?

    Снижение температуры замерзания воды при увеличении давления имеет физическое обоснование.

    Пресная жидкость при замерзании расширяется примерно на 10%. У соленой морской воды расширение будет меньшим, но оно все равно происходит.

    Поэтому, когда внешнее давление растет, то температура замерзания снижается. Суть процесса замерзания состоит в кристаллизации воды.

    Но в отличие от других жидкостей, вязкость воды при увеличении давления уменьшается. Что и обусловило более медленные процессы кристаллизации.

    Это объясняется структурными особенностями молекул и некоторыми механизмами взаимодействия между ними. Для того, чтобы процесс начался, нужен центр кристаллизации, состоящий из нескольких десятков молекул.

    В природных условиях пресная вода всегда содержит примеси – пылинки, молекулы соли и т.д. Все они могут стать центрами кристаллизации, поэтому процесс будет протекать быстрее, чем при тех же условиях, но в очищенной воде в лабораторных условиях.

    Как влияет тип воды?

    Дистиллированная влага в принципе замерзает медленнее даже при нормальном атмосферном давлении. В отличие от других видов пресной воды, она не содержит сторонних примесей.

    В ней отсутствуют ядра кристаллизации, и поэтому она замерзает только при очень низких температурах – эксперименты показали, что при -42°С.

    Физики называют такую жидкость переохлажденной. Любопытно, что если постучать по сосуду с такой дистиллированной водой, она практически моментально превратится в лед.

    В лабораторных условиях проводились эксперименты, при которых давление увеличивали до очень высоких значений, так что дистиллят замерзал только при -70°С.

    Наличие любых примесей, в том числе и тех, что находятся в минеральной воде, повышает температуру замерзания, даже, если прочие условия остаются теми же.

    Что касается остальных растворов, то здесь, помимо давления, важную роль играет еще и плотность – например, у соленой воды она намного выше.

    Но при этом при отрицательных температурах частицы соли как бы выталкиваются. И если растопить многолетний морской лед, то окажется, что он состоит из пресной воды, даже пригодной для питья.

    Температура замерзания дистиллированной воды

    После прохождения нескольких этапов очистки она уже не содержит в своем составе примеси и прочие компоненты, которые могли бы стать ядром кристаллизации при замерзании. Поэтому образование льда в такой воде происходит только при температуре -42 градуса.

    Современным ученым удалось настолько очистить воду, что она начинала мерзнуть только при температуре -70 градусов Цельсия. Благодаря этому невероятному свойству ее назвали переохлажденной.

    Кстати, если добавить в дистиллированную жидкость немного снега, песочка или льда, то она мгновенно замерзнет под действием низкой температуры (образуя красивые длинные кристаллы).

    Температура замерзания соленой воды

    Если очищенная вода мерзнет при очень низких температурах, то когда же леденеет соленая вода? Это происходит при температуре -1,9 градусов Цельсия. Значить все моря нашей планеты замерзают при одинаковой отрицательной температуре? Нет, это не так. Существует различные факторы, которые делают показатель замерзания воды непостоянным. Речь идет о концентрации солей и о территориальном расположении:

    • Каспий леденеет уже при -0,5 градусах Цельсия;
    • Азовское море мерзнет при температуре -0,7 градусов;
    • Японское море вообще не леденеет, это связано с тем, что в нем содержится чрезвычайно много соли (34 промилле);
    • Балтийской море мерзнет уже при 0 отметке (это же происходит и с пресными водоемами, реками).

    Учитывая данное непостоянство, ученые решили определить средний показатель замерзания воды всех морей мира – он составил -4 градуса Цельсия.

    Феноменальные свойства воды

    Приведем еще несколько фактов об удивительном поведении и феноменальных свойствах воды:

    • При замерзании молекулы воды расширяются, и ее масса становится тяжелей массы льда. Лед, согласно закону Архимеда, выталкивается на поверхность. Таким образом природа закрывает коркой льда водоемы, защищая и сохраняя все живое в их глубинах.
    • Горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Звучит невероятно, но это так. Называется это явление «парадокс «Мпембы». Дело в том, что у горячей воды больше теплоотдача и более высокая насыщенность ядрами кристаллизации.
    • В вакууме при 0°C вода сначала закипает, потом одна восьмая ее испаряется, а оставшееся количество замерзает.
    • Учеными при лабораторных исследованиях была получена так называемая стеклообразная вода – аморфная твердая субстанция, из которой состоят кометы во Вселенной. Для перехода воды в такое состояние необходимо за считаные миллисекунды понизить температуру до -137 градусов Цельсия.
    • Максимальной плотность H2O будет при +4°C.

     

    Источники:

    • https://vseowode.ru/prosto-o-vode/temperatura-zamerzaniya-vody.html
    • https://o-vode.net/vodosnabzhenie/davlenie/temperatura-zamerzaniya
    • https://vodavomne.ru/svojstva-vody/zamerzanie-vody
    • https://www.healthwaters.ru/articles/tayna-zamerzaniya-vodoemov

    1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (Оцените статью первым!)
    Loading...Loading...