Замерзание воды, его свойства значение для человека

Как замерзает вода

Кристаллизация воды – сам по себе очень интересный и многогранный процесс. Давайте разберемся, как это происходит. Как известно вода состоит из молекул, которые немного связаны между собой и стремятся к воссоединению. Всё довольно просо, при высоких температурах начинается отдаление молекул, а при низких температурах сближение. Под влиянием низких температур их движение замедляется и они, соединяясь, образовывают кристаллическую структуру. Кристаллизация, или же замерзание это превращение воды в лёд, переход в твёрдое состояние.

Замерзание воды, его свойства значение для человека

Состояния и виды воды

Вода на планете Земля может принимать три основных агрегатных состояния: жидкое, твёрдое и газообразное, которые способны трансформироваться в разные формы, одновременно сосуществующие друг с другом (айсберги в морской воде, водяной пар и кристаллы льда в облаках на небе, ледники и свободно текущие реки).

В зависимости от особенностей происхождения, назначения и состава вода может быть:

  • пресной;
  • минеральной;
  • морской;
  • питьевой (сюда же отнесём водопроводную воду);
  • дождевой;
  • талой;
  • солоноватой;
  • структурированной;
  • дистиллированной;
  • деионизированной.

Наличие изотопов водорода делает воду:

  1. лёгкой;
  2. тяжёлой (дейтериевой);
  3. сверхтяжёлой (тритиевой).

Все мы знаем о том, что вода бывает мягкой и жёсткой: этот показатель определяется содержанием катионов магния и кальция.

Каждый из перечисленных нами видов и агрегатных состояний воды имеет свою температуру замерзания и плавления.

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.

Наличие примесей

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).

Температура превращения в лед

Скорость превращения очищенной воды в лед зависит от условий, в которых она находится. Дистиллированная смесь, находящаяся на улице и внутри аккумулятора машины, замерзает при разной температуре. В двух указанных случаях отмечается разная точка замерзания.

На улице

В уличных условиях очищенный состав кристаллизуется довольно быстро. На открытом воздухе нет факторов, препятствующих быстрому переходу раствора в состояние льда.

Качественный дистиллят на улице может замерзнуть при -10 0 С. Это значение является точкой замерзания. Но часто имеющиеся в продаже составы превращаются в лед при температурном режиме от -1 до -5 0 С.

Отчего горячая вода замерзает быстрее холодной?

Горячая вода замерзает быстрее холодной – на этот феномен обратил внимание Эрасто Мпемба – школьник с Танганьики. Его эксперименты с массой для приготовления мороженого показали, что скорость замерзания подогретой массы значительно выше, чем холодной.

Одной из причин этого интересного явления, получившего название «парадокс Мпембы», является более высокая теплоотдача горячей жидкости, а также наличие в ней большего количества ядер кристаллизации по сравнению с холодной водой.

Взаимосвязаны ли температура замерзания воды и высота?

При изменении давления, часто связанного с нахождением на разной высоте, температура замерзания воды начинает радикально отличаться от стандартной, характерной для обычных условий.температура замерзания воды зависит от высоты
Кристаллизация воды на высоте происходит при следующих температурных значениях:

  • как ни парадоксально, на высоте 1000 м вода замерзает при 2 градусах тепла по шкале Цельсия;
  • на высоте 2000 метров это происходит уже при 4 градусах тепла.
Рекомендуем:  Устройство деревянного пола на лагах - схемы + инструкции

Самая высокая температура замерзания воды в горах наблюдается на высоте свыше 5000 тысяч метров (например, в Фанских горах или на Памире).

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.

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

Замерзает ли дистиллированная вода? Напомним о том, что для замерзания воды необходимо присутствие в ней неких центров кристаллизации, коими могут стать пузырьки воздуха, взвешенные частицы, а также повреждения стенок ёмкости, в которой она находится.

Вода, подвергнутая воздействию очень низких температур, но при этом не кристаллизовавшаяся, называется «переохлаждённой». Можно, поместив бутылку с дистиллированной водой в морозильную камеру, добиться её переохлаждения, а затем продемонстрировать очень эффектный трюк — смотрите в видео:

Тихонько постучав по бутылке, извлечённой из холодильника, или бросив в неё небольшой кусочек льда, можно показать, как мгновенно она превращается в лед, имеющий вид удлинённых кристаллов.

Дистиллированная вода: замерзает или нет под давлением эта очищенная субстанция? Такой процесс возможен лишь в специально созданных лабораторных условиях.

Температура замерзания соленой воды

  1. Замерзает ли соленая вода? Благодаря высокой концентрации солей океанская и морская вода замерзает при температуре -1,9 градуса по Цельсию.
  2. Температура замерзания воды в морях и океанах не имеет постоянного значения, поскольку солёность воды в разных морях Мирового океана совершенно разная.
  3. Как температура замерзания океанической воды зависит от ее солености? Между этими величинами существует самая прямая связь. Чем более солёной является вода, тем более высокой плотностью она обладает, а для замерзания такой воды требуется достаточно низкая температура.
  4. Средняя температура воды в морях и океанах -4 градуса.

Температура замерзания отдельных морей

При скольких градусах замерзает вода:

  • Каспийского моря? Солёность каспийских вод составляет около 13 промилле. Их замерзание происходит при -0,5 градуса Цельсия. Толщина ледяного покрова северной части Каспия составляет около двух метров.
  • Азовского моря? Его соленая вода замерзает при температуре от -0,5 до -0,7 градусов по шкале Цельсия. Солёность составляет около 11 промилле. Толщина льдов, покрывающих море в период с декабря по март, равна одному метру.
  • Японского моря? Почему соленая вода этого моря не замерзает? Это объясняется высоким (около 34 промилле) уровнем её солёности и географическим положением моря.
  • Балтийского моря? При солёности, насчитывающей всего 6-8 промилле, температура замерзания морской воды в Балтике близка к нулю.

Формула для расчета

Данный показатель повышается пропорционально погружению. Он рассчитывается по специальной формуле:

P = p * g * h, где

  • p — плотность среды. Примерно равна 1000 кг/м2.
  • g — это ускорение, которое придается телу силой тяжести. Это значение называется ускорением силы тяжести или свободного падения. На Земле данная величина примерно равняется 9,81 м/с2.
  • h — глубина, на которую погружается какой-либо объект. Высчитывается в метрах.

Формула является выражением закона Паскаля. По ней высчитывается значение гидростатического прессинга. Он напрямую зависит от высоты водного столба.

Произведение плотности (p) и ускорения (g) приблизительно равняется 0,1 атм. С каждым метром опускания на дно воздействие в водной среде повышается на 0,1 атм. Данное правило подтверждает тот факт, что чем глубже происходит опускание в толщу, тем выше становится показатель воздействия.

Влияние глубины

Замерзание воды, его свойства значение для человека
Чем глубже происходит погружение в водную толщу, тем больше становится ее сила. Глубина прямо влияет на увеличение давление. Это значение возрастает пропорционально.

Чем глубже, тем больше плотность водной толщи. С каждым последующим опусканием тела возникает все большая разница между внешним и внутренним водным давлением.

На поверхности действует атмосферное давление. При опускании в воду помимо него тела начинают испытывать еще и гидростатическое сдавливание.

Даже на мелководье на тело оказывается суммарное влияние, состоящее из атмосферного и гидростатического. При нырянии внешнее воздействие на тело возрастает. Возникает разница из-за увеличения плотности среды.

Верхние слои давят на нижние. За счет этого возникает сдавливающая сила на глубоководье. При этом ее показатель на одной глубине один и тот же по всем направлениям.

Рекомендуем:  Мебель из лиственницы, плюсы и минусы, правила выбора и размещения

Феноменальные свойства H2O

Приведем еще несколько фактов об удивительном поведении 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.

Как давление влияет на процесс кристаллизации воды?

Давайте попробуем увязать динамику изменения температуры замерзания воды с переменой давления.

  • При давлении 2 атм вода замерзнет при температуре —2 градуса.
  • При давлении 3 атм началом замерзания воды станет температура —4 градуса по Цельсию.

При повышенном давлении температура начала процесса кристаллизации воды понижается, а температура кипения увеличивается. При низком давлении получается диаметрально противоположная картина.

Именно поэтому в условиях высокогорья и разреженной атмосферы весьма трудно сварить даже яйца, поскольку вода в котелке закипает уже при 80 градусах. Понятно, что при такой температуре приготовить пищу попросту невозможно.

При высоком давлении процесс плавления льда под лезвиями коньков происходит даже при очень низких температурах, но именно благодаря ему коньки скользят по ледяной поверхности.нарты на снегу

Аналогичным образом объясняется примерзание полозьев сильно нагруженных нарт в рассказах Джека Лондона. Тяжёлые нарты, оказывающие давление на снег, вызывают его плавление. Образующаяся при этом вода облегчает их скольжение. Но стоит нартам остановиться и задержаться продолжительное время на одном месте, как вытесненная вода, замерзнув, приморозит полозья к дороге.

Замерзание пресных водоёмов

Процесс образования льда на пресноводных водоемах происходит в несколько ином температурном режиме.

  • Температура замерзания воды в озере, точно так же, как и температура замерзания воды в реке, равна нулю градусов по шкале Цельсия. Замерзание самых чистых речек и ручьев начинается не с поверхности, а со дна, на котором присутствуют ядра кристаллизации в виде частиц донного ила. Коркой льда поначалу покрываются коряги и водные растения. Стоит лишь донному льду подняться на поверхность, как река мгновенно промерзает насквозь.
  • Замерзшая вода на Байкале иногда может охлаждаться до отрицательных температур. Происходит это лишь на мелководье; температура воды при этом может составлять тысячные, а иногда и сотые доли одного градуса ниже нуля.
  • Температура байкальской воды под самой коркой ледяного покрова, как правило, не превышает +0,2 градуса. В низших пластах она постепенно повышается до +3,2 на дне самой глубокой котловины.

Как происходит процесс?

Снижение температуры замерзания 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.

Каково давление замерзающей жидкости?

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%.

Эффект «стекловидной» воды

Всем известно, что вода кипит при 100 °С, а замерзает при 0 °С. Но не все так однозначно. Оказывается, чистая вода, впрочем, и морская тоже, при нуле не замерзает.

Если очень медленно охладить очень чистую воду (в идеале для такого эксперимента нужна дистиллированная), она будет оставаться жидкой при очень низких температурах. В таком промежуточном между льдом и водой состоянии структура вещества становится «стекловидной». Длится это состояние недолго. Если в такую переохлажденную воду попадет небольшой кусочек льда, пылинка или снежинка, по всему объему мгновенно прорастут длинные кристаллы льда.

Секрет тут в особенностях кристаллизации, в примесях солей или других веществ. Именно они становятся «ядром», вокруг которого строится кристаллическая решетка. Разный состав определяет разную температуру замерзания. Ученые обнаружили, что вода может оставаться жидкой даже при переохлаждении до -48 °С при условии, что она идеально чистая, без солей и минералов. Если же в воде есть тяжелые металлы, то она начнет замерзать уже при +3,8 °С.

Эффект Мпембы

Вода преподносит и другие сюрпризы. Оказывается, при определенных условиях горячая вода замерзнет быстрее, чем изначально холодная. Этот факт замечали Аристотель и Рене Декарт, но название «эффект Мпембы» парадокс получил по имени танзанийского школьника Эрасто Мпембы, который в 1963 году обнаружил его при замораживании мороженого.

Рекомендуем:  Особенности гидроизоляционных работ

Парадоксально и то, что ученые до сих пор затрудняются найти единое объяснение этому феномену. Предположений много:

  • разница температур в теплообмене;
  • испарение (горячая вода испаряется быстрее);
  • конвекция (эффект аномалии плотности);
  • газы, которые растворены в воде;
  • теплопроводность.

Все эти факторы проверяются в ходе исследований и экспериментов, но единого верного ответа и решения парадокса Мпембы современная наука пока что не дает. Зато эффект этот имеет широкое практическое применение в кулинарном деле.

Как заморозить воду

Особенности кристаллизации воды широко используются при ее очистке и смягчении. Вместо долгого кипячения, делающего воду мертвой, и отстаивания, которое позволяет избавиться лишь от хлора и газов, для получения идеально чистой воды существует технология вымораживания.

Вода, которая течет из крана, содержит не только грязь и ржавчину из труб, но соли, металлы, хлор, ненужные примеси, их можно убрать способом заморозки-разморозки, получив в итоге полезную талую воду. Этим способом можно очищать воду в домашних условиях, но есть ряд неудобств:

  • необходима морозильная камера с низкими температурами;
  • степень замерзания воды нужно постоянно контролировать;
  • получается не более 60% чистой воды на выходе;
  • для лучшего эффекта замораживать желательно не менее пяти литров воды.

Конечно, если у человека есть время, желание и возможность очищать воду вымораживанием дома, это неплохо. Но промышленные технологии куда точнее и эффективнее, используют методы шоковой и медленной заморозки по Лабзе, Муратову, Маловичко. В условиях жизни большого города и офисной работы, требующей концентрации и полного рабочего дня, тратить драгоценное время на длительные процедуры с домашней морозилкой нерационально. Надежнее поставить в офисе хороший кулер для воды с охлаждением и организовать постоянную доставку чистой воды прямо в офис. На нашем сайте можно найти телефоны доставки воды.

Экспресс-ответы

При скольких градусах замерзает вода:

  1. В трубах отопления? В случае отключения отопления или поломки отопительного котла в частном доме или на даче замерзание воды в них может произойти примерно через пару дней при температуре -5 градусов. Отсрочить наступление такого исхода поможет теплоизоляция труб и остальных элементов здания. Внутри жилого помещения замерзание воды в трубах наступает уже при -1 градусе. Если такая температура продержится 2-3 дня, это может закончиться разрывом труб и отопительных батарей.
  2. Под землей? Подземные воды могут быть жидкими, твёрдыми и парообразными. Твёрдой фазой воды в почве является лёд, который может быть как многолетним (в условиях вечной мерзлоты), так и сезонным. Замерзание почвенных вод происходит при температуре ниже нуля, поскольку все они представляют собой не чистую воду, а всевозможные её растворы. Величина температуры замерзания во многом зависит от минерализации грунтовых вод.фото замерзшей воды
  3. На лету? У жителей Якутии есть нехитрый способ определения температуры воздуха: она ниже -42 градусов, если выпущенный человеком плевок успевает замёрзнуть, не долетев до земли.
  4. В вакууме? Содержимое пробирки, поставленной под колокол вакуумного насоса при температуре 0 градусов, сначала закипает, а после испарения восьмой части жидкости происходит образование ледяной корки на её поверхности.
  5. В двигателе автомобиля? Максимальная температура замерзания воды в двигателе может достичь -5 градусов: при более низких значениях кристаллы льда попросту разорвут внутреннее устройство блока двигателя. Точно такой же является температура замерзания воды в радиаторе. Подобные проблемы в машине могут возникнуть при условии недостаточного утепления вышеперечисленных агрегатов, а также вследствие слишком продолжительной стоянки.
  6. На катке? В зависимости от того, какие соревнования предполагается проводить на ледовой арене, температура поверхности льда может составлять от -3 до -5 градусов. Лёд с более высокой (от -3 до -4) температурой поверхности подходит для фигурного катания, поскольку именно его мягкость позволяет обеспечить необходимую силу сцепления с коньками.коньки на льду
    Более жёсткий лёд, подходящий для командной игры в хоккей, получается при температуре -5 градусов. На «холодном» льду возрастает скорость игроков и уменьшается возможность образования снежной «каши» на его поверхности. Качество льда в первую очередь зависит от химического состава воды, поэтому для его заливки используют не обычную жидкость из-под крана, а либо очищенную, либо обработанную специальными кондиционерами воду.

Применение знаний в быту человека


В основном сведения о температуре замерзания воды нужны тем, кто сталкивается с прокладкой водопровода.

Как правило, ее замерзание в таких случаях проходит не на подземном участке трубы, а над поверхностью почвы, и далее идет процесс кристаллизации уже в наземном участке.

Чтобы этого не происходило, поскольку замерзание и расширение воды выводит из строя всю систему и нарушает целостность труб, принимают активные и пассивные меры – от утепления трубы до специально обустроенной системы обогрева.

Но очень важно с самого начала правильно сделать расчеты, подбирая производительность оборудования и диаметр труб таким образом, чтобы создать такое давление, при котором вода не будет замерзать при климатических условиях, характерных для этого региона.

Источники
  • https://VodaVoMne.ru/svojstva-vody/zamerzanie-vody
  • https://avtoarsenal54.ru/raznoe/voda-pod-davleniem-zamerzaet-pri-kakoj-temperature.html
  • https://vseowode.ru/prosto-o-vode/temperatura-zamerzaniya-vody.html
  • https://AvtoSotka.ru/sovety-i-opyt/voda-v-radiatore-avtomobilya-zimoj-2.html
  • http://kapushka.ru/pri-kakoy-temperature-zamerzaet-voda.html
  • https://zoobird.ru/kakaya-voda-bystree-zamerznet-pod-davleniem-ili-net/
  • https://o-vode.net/vodosnabzhenie/davlenie/na-glubine
  • https://ogorod.guru/ogorod/kak-zamerzaet-voda-pod-davleniem.html
  • https://zoobird.ru/temperatura-zamerzaniya-vody-pri-raznyh-davleniyah/
  • https://voda095.ru/articles/temperatura_zamerzaniya_vody/

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Adblock
detector