Ледени игри с физика "Неща и неща"
Зимата най-накрая дойде. Дойде студът, водата замръзна и се превърна в лед. Дава на някой страхотна и дългоочаквана възможност да играе хокей или просто да кара кънки. Някои се притесняват от хлъзгавата настилка и заледените стъпала. Живеейки в северна страна, ние възприемаме леда като нещо обикновено, също толкова познато, въздухът, както и водата. Всеки знае, че водата се превръща в лед, когато замръзне при нула градуса и че ледът не потъва. Дори се смята, че ледът е едно от най-простите вещества, на които не трябва да обръщате внимание. Това обаче далеч не е така: ледът е много интересно вещество, свойствата му са любопитни и понякога неочаквани.
При каква температура замръзва водата
Всеки ще отговори без колебание на този въпрос: при нула градуса. Нека направим малък експеримент и да видим дали това винаги е така.
За експеримента ще ви трябва чаша от тънка пластмаса. Стъклената посуда не е подходяща: когато е замръзнала, водата се разширява с почти 10% (поради което ледът плува) и счупва крехкия материал. Стъклото трябва да се изплакне старателно и без да се избърсва, да се изсуши, като се обърне дъното нагоре, така че прахът да не попадне вътре.
Използвайте много чиста, добре преварена вода (и още по-добре дестилирана, продава се в аптеките). В мразовит ден при -2 -5 ° С поставете чаша вода извън прозореца, като я покриете с парче чисто стъкло и я предпазете от пряка слънчева светлина. След няколко часа съдържанието на чашата ще се охлади под нулата, но ще остане течно (освен ако, разбира се, всички препоръки не са били внимателно спазени).
Внимателно отворете чашата и хвърлете във водата парче малък лед, щипка сняг или просто прах. Пред очите ви водата моментално ще замръзне, пониквайки в целия обем с дълги кристали.
Толкова странно поведение на водатахарактеристики, дължащи се на процеса на кристализация. Превръщането на течността в кристал става предимно върху примеси и нееднородности - прахови частици, въздушни мехурчета, драскотини по стените на съда. Чистата вода на кристализация е практически лишена, следователно, тя може да бъде преохладена и доста силно, оставаща течност. При лабораторни условия температурата на водата, но в много малки обеми, може да бъде доведена до -70 ° C.
Подобни явления могат да се наблюдават и в природата. Много пътешественици отдавна отбелязват, че през есента много чисти реки и потоци започват да замръзват от дъното. През прозрачен слой вода ясно се вижда, че водораслите и корчовете на дъното на насипа са обрасли с ледено покритие. В един момент долният лед изплува нагоре и повърхността на водата моментално се оказва обвита от лед кора.
Подобни съобщения винаги са били приемани скептично. Температурата на горните слоеве на водата е по-ниска от дълбоките и изглежда, че замръзването трябва да започне от повърхността. Чистата вода обаче замръзва неохотно и ледът се образува преди всичко там, където има суспензия от тиня и твърда повърхност, близо до дъното.
Надолу по течението от водопади и преливници, често язовири, маса от гъбест вътрешноводен лед расте в разпенена вода. Издигайки се на повърхността, понякога запушва целия канал, образувайки така наречените задръствания, които дори могат да преградят реката. Известен е случай, когато съдържанието на бутилка нарзан, добре охладена във фризера, в горещ летен ден, незабавно се превърна в парче лед.
Защо ледът плува
И така, водата се охлади, започна да замръзва и на повърхността й плуваха ледени късове. Но плътността на веществата обикновено се увеличава с понижаване на температурата и водата не се подчинява на този модел. Защо ледът е по-лек от водата?
Мнозина смятат, че в дебелината на леда остават множество пори и празнини, пълни с въздух. Мехурчетата от истински въздух често замръзват в лед и такава „гъба“ става много по-лека от водата. Но дори микроскопичният лед без пори и пукнатини има плътност 0,9168 g / cm 3 при 0 ° C, а водата при същата температура 0,9984 g / cm 3. Въпросът тогава е само в характеристиките на структурата на леда и водата.
Водата няма такава подредена структура, подреждането на нейните молекули се променя през цялото време. Но във всеки момент молекулата е заобиколена от вода от 4 до 5 съседи, така че средният им брой е равен на 4,4. Това означава, че молекулите на водата в течността са разположени по-близо, отколкото в кристал, водата е по-плътна от леда. Относителните стойности на промяната на координационното число (10%) и плътността (9%) са много близки по величина.
Когато ледът се топи, освободените от студ малки молекули имат енергия и ниска подвижност. Първоначално те запазват структурата на кристалната решетка, а плътността на водата остава ниска. Постепенно редът на правилните молекули се размива, те се групират по-тясно и плътността на водата се увеличава. При температура от 4 ° C тя достига максимум (0,999973 g / cm 3) и след това започва да пада поради движението на топлинни молекули, което става по-активно, когато се нагрява.
Някои метали, като чугуна, се държат по подобен начин. Това позволява материалът му да се използва като художествена отливка. Когато се втвърди, чугунът се разширява и запълва всички, дори и най-деликатните детайли на формата. Чугунени дантелени решетки и настолни скулптури по модели на известни художници отдавна се отливат в уралския град Касли.
Какво се случва по време на кристализация
Сега нека видим какво се случва, когато водата замръзне и се образуват ледени кристали. INчаша (все същата, пластмасова) с вода, налейте малко мастило, акварелна боя или листа чай. Увийте горната част на топлоизолацията със слой (вълнен плат, порест каучук), слой, така че ледът да расте от дъното на стъклото до повърхността на водата и да го изложите на замръзване. Може да се предположи, че след няколко часа в чашата ще се появи парче цветен лед. Имаше дори предложения тези цветни парчета лед да се закачат на уличните коледни елхи. Многоцветен лед обаче не може да се получи по този начин.
Кристалът се стреми да расте възможно най-правилно, това е изгодно от гледна точка на вътрешната му енергия. И всякакви примеси изкривяват формата на решетката. Следователно, растящият кристал измества всички външни атоми и молекули, опитвайки се да изгради идеална решетка, това все още е възможно. И едва когато примесите няма къде да отидат, той започва да ги вгражда в структурата си или ги оставя под формата на капсули с концентрирана течност. Следователно морският лед е свеж и дори най-мръсните локви са покрити с прозрачен и чист лед.
В Дон и Кубан, където от дълго време се отглежда грозде и се правят сухи вина, през зимата се приготвят силни напитки „мраз“. За този естествен продукт на ферментация виното със сила 10-12 градуса се излага на замръзване. В разтвора водата първо замръзва и остава по-концентриран разтвор на алкохол. Отцежда се и операцията се повтаря до постигане на желаната якост. Колкото по-висока е концентрацията на алкохол в разтвора, толкова по-ниска е точката на замръзване: