Cтраница 1

Расширение воды при замерзании является одной из причин и другого, важного в жизни Земли явления - разрушения горных пород. Во время мороза сначала замерзает верхний слой; при этом более глубокие слои будут заперты. Когда же и эти слои начнут замерзать, то они, увеличиваясь при этом в объеме, будут расширять трещину.  

Расширение воды при замерзании связано с тем, что при нерегулярном расположении (или при регулярном только в узких областях) молекулы воды занимают меньший объем, чем при совершенно регулярной ориентации в случае образования тридимитной структуры. Вследствие расширения воды при замерзании (по принципу Ле-Шателье) с увеличением давления температура замерзания понижается. Однако если после замерзания давление превосходит определенную величину, то образуются другие модификации льда, которые плотнее обычного, даже большей частью плотнее жидкой воды. Поэтому разрывающего цействия, которое оказывает вода, заключенная в железные сосуды или скапливающаяся в трещинах скал, не происходит в том случае, если вода перед замерзанием оказывается уже под очень высоким давлением.  

Расширение воды при ее назревании довольно существенно и учитывается при эксплоатаЦии паровых котлов: растопка котлов начинается при самом низком уровне воды в водомерных приборах, с TBMI, чтобы1 ко времени доведения давления пара в котле до рабочего этот уровень, повышаясь в результате расширения воды, достиг бы своего нормального положения.  

Расширение воды при нагревании отличается от расширения других жидкостей, объем которых плавно увеличивается с повышением температуры. Если атмосферное давление нормально, то вода занимает наименьший объем при 4 С. С понижением температуры до О С (точка замерзания) объем воды увеличивается. На рис. 9.4 представлен график зависимости объема воды от температуры только до 14 С, но уже видно, что кривая поднимается все круче к точке кипения.  

Расширением воды при замерзании объясняется и то, что лед на воде плавает, а не падает на дно.  

От расширения воды при замерзании в коробке 2 и невозможности выхода ее в замерзшие каналы 8 в коробке образуется значительное давление, которое, действуя на поршенек 3, продвигает его в сторону водяной рубашки, выжимает крышку 4 и открывает отверстие, закрытое этой крышкой, вследствие чего вода из водяной рубашки выливается наружу.  

Вследствие расширения воды при замерзании (по принципу Ле-Шателье) с увеличением давления температура замерзания понижается. Однака если после замерзания давление превосходит определенную величину, то образуются другие модификации льда, которые плотнее обычного, даже большей частью плотнее жидкой воды. Поэтому разрывающего действия, которое оказывает вода, заключенная в железные сосуды или образования трещин в камнях, при замерзании не происходит в том случае, если вода перед замерзанием оказывается уже под очень высоким давлением.  

Вследствие расширения воды при замерзании (по принципу Ле-Шателье) с увеличением давления температура замерзания понижается. Однако если после замерзания давление превосходит определенную величину, то образуются другие модификации льда, которые плотнее обычного, даже большей частью плотнее жидкой воды. Поэтому разрывающего действия, которое оказывает вода, заключенная в железные сосуды или образования трещин в камнях, при замерзании не происходит в том случае, если вода перед замерзанием оказывается уже под очень высоким давлением.  

Особенности расширения воды имеют громадное значение для климата Земли. Большая часть (79 %) поверхности Земли покрыта водой. Солнечные лучи, падая на поверхность воды, частично отражаются от нее, частично проникают внутрь воды и нагревают ее. Если температура воды низка, то нагревшиеся слои (например, при 2 С) более плртны, чем холодные слои (например, при 1 С), и потому опускаются вниз. Их место занимают холодные слои, в свою очередь нагревающиеся. Таким образом, происходит непрерывная смена слоев воды, что способствует равномерному прогреванию всей толщи воды, пока не будет достигнута температура, соответствующая максимальной плотности. При дальнейшем нагревании верхние слои становятся все менее плотными, а потому и остаются вверху.  

Особенности расширения воды имеют громадное значение для климата Земли. Большая часть (79 %) поверхности Земли покрыта водой. Солнечные лучи, падая на поверхность воды, частично отражаются от нее, частично проникают внутрь воды и нагревают ее. Если температура воды низка, то нагревшиеся слои (например, при 2е С) более плотны, чем холодные слои (например, при 1 С), и потому опускаются вниз. Их место занимают холодные слои, в свою очередь нагревающиеся. Таким образом, происходит непрерывная смена слоев воды, что способствует равномерному прогреванию всей толщи воды, пока не будет достигнута температура, соответствующая максимальной плотности. При дальнейшем нагревании верхние слои становятся все менее плотными, а потому и остаются вверху.  

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.

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 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°Степловыепомехив 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 четырь-

Мя соседними. Поэтому в фазе льда вода обра­зует ажурную конструкцию с «каналами» меж­ду фиксированными группами молекул воды.

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.

С каждым годом становится всё популярнее здоровый стиль жизни. Люди бросают курить, начинают заниматься спортом, подсчитывают калории в продуктах, которые употребили за день, контролируют лишний вес. Существует ряд видов спорта …

Технология широкоформатной печати подразумевает тиражирование полиграфической продукции больших параметров на специальных "широких принтерах" и плоттерах. Благодаря применению такого мощного современного оборудования можно получать отпечатки разных форматов А1, А2, А3 и …

Утепление – важный процесс любого ремонта дома. ведь именно от него будет зависеть долговечность конкретной стены и фасада в целом. Сегодня производители предлагают самые разнообразные материалы для утепления – минеральная …

Вода - самое распространенное и самое загадочное вещество на нашей планете. Она обладает простыми свойствами, известными с древних времен. Именно благодаря этим особенностям ее и называют «основой жизни». Так в чем же «чудесность» этих свойств? Давайте разбираться.

Текучесть. Основное свойство всех жидкостей, и воды - в том числе. Под действием внешних сил она способна принимать форму любого сосуда. И это обеспечивает ее повсеместную доступность. Вода течет в водопроводах, образует озера, реки и моря. И, самое главное, вы всегда можете взять ее с собой в любой удобной упаковке - от маленькой бутылочки до огромной цистерны.

Температурные свойства. Теплая вода легче холодной и всегда поднимается вверх. Поэтому мы можем готовить суп, нагревая кастрюлю только снизу, а не со всех сторон сразу. Благодаря этому явлению, называемому «конвекцией», большинство обитателей земных водоемов живут ближе к поверхности.

Но самым важным из температурных свойств воды является ее высокая теплоемкость - в 10 раз больше, чем у железа. Это значит, что для ее нагревания необходимо большое количество энергии, однако и при остывании энергии выделяется столько же. На этом принципе основаны системы отопления в наших домах - и системы охлаждения, применяемые в промышленности.

Кроме того, моря и океаны играют роль терморегулятора Земли, смягчая сезонные перепады температуры, поглощая тепло летом и отдавая его зимой. А при сочетании теплоемкости и конвекции можно даже обогреть целый континент! Речь идет о «главной батарее Европы», теплом течении Гольфстрим. Гигантские потоки теплой воды, двигаясь по поверхности Атлантики, обеспечивают на ее побережье комфортную температуру, не свойственную для этих широт.

Замерзание. Температура замерзания воды условно равна 0 градусов, но на самом деле этот параметр зависит от ряда факторов: атмосферного давления, емкости, в которую вода помещена, от наличия в ней примесей.

Вода уникальна тем, что, в отличие от других веществ, при замерзании расширяется. При наших суровых зимах, это, пожалуй, можно назвать отрицательным свойством. Замерзая и увеличиваясь в объеме, вода (а точнее, уже лед) просто рвет трубы из металла.

Итак, при переходе в твердое состояние вода увеличивается в объеме, но становится не такой плотной. Поэтому лед всегда легче воды, и находится на ее поверхности. К тому же, он плохо проводит тепло: даже самой холодной зимой в водоемах планеты сохраняется жизнь. Ведь чем толще ледяная «подушка», тем теплее вода под ней. Также, благодаря этому свойству, некоторые народы до сих пор строят так называемые «ледники» - погреба или пещеры, обложенные льдом, который не тает даже летом, и позволяет хранить продукты очень долго.

Некоторые ученые даже предложили использовать лед в борьбе с глобальным потеплением. Суть идеи такова - специальный корабль берет на буксир айсберг, дрейфующий где-нибудь близ Антарктиды. А потом тащит его в теплые края, где люди страдают от жары. Айсберг тает, обеспечивая прохладой целый прибрежный регион. Такой вот «Гольфстрим наоборот», только созданный человеком.

Закипание. От холодного льда перейдем к горячему пару. Всем известно, что вода закипает при температуре в 100 градусов Цельсия. Но это лишь в условиях нормального состава воздуха и атмосферного давления. Зато на вершине Эвереста, где давление ниже, а воздух разрежен, ваш чайник закипит уже при 68 градусах! Кипячение воды способствует тому, что в ней погибают вредные микроорганизмы. А еще продукты, приготовленные на пару, намного более полезны, чем жареные.

К тому же, водяной пар можно назвать настоящим двигателем цивилизации. Еще не прошло и ста лет с эпохи паровых двигателей, и многие до сих пор ошибочно называют железнодорожные локомотивы (работающие сейчас преимущественно на электричестве) «паровозами».

Кстати, об электричестве. Без пара оно до сих пор оставалось бы редкой и дорогой диковинкой. Ведь принцип работы большинства электростанций основан на вращении ротора под давлением горячего пара. Современные атомные станции отличаются от старых угольных или нефтяных только принципом нагрева воды. Даже инновационная и безопасная солнечная энергетика использует пар: огромные зеркала, подобно лупе, фокусируют солнечные лучи на резервуаре с водой, превращая ее в пар для электротурбин.

Растворение. Еще одно важнейшее свойство воды, без которого была бы невозможна не только наука и промышленность, но и сама жизнь! Как думаете, что общего между плазмой крови и вашей любимой газировкой? Ответ прост: газировка - это водный раствор различных солей, минералов и газов. Плазма же состоит на 90% из воды, а также из белков и других веществ. И каждая клетка живого организма получает нужные ей вещества тоже в виде водного раствора.

Вода является самым простым, безопасным, но, тем не менее, самым надежным природным растворителем. Между ее подвижных молекул могут «затесаться» практически любые вещества - от жидкостей до металлов. Это чудесное свойство было замечено еще на заре человечества. Древние художники растворяли в воде природные красители, чтобы рисовать на стенах пещер. Потом эстафету приняли средневековые алхимики, растворяя в воде самые разные вещества в надежде получить «философский камень», превращающий любой материал в золото. А теперь это свойство с успехом используют современные химики.

Поверхностное натяжение. Большинство людей, слыша про поверхностное натяжение воды, вспоминают разве что насекомых-водомерок, скользящих по глади пруда или лужи. А, между тем, без этого свойства воды невозможно даже вымыть руки! Именно благодаря ему образуется мыльная пена. Да и вытереть руки полотенцем без него тоже сложно. Ведь все впитывающие материалы (неважно, бумажная салфетка или ткань из микрофибры) обладают микроскопическими порами, в которые влага впитывается за счет поверхностного натяжения. По этой же причине вода устремляется по тончайшим капиллярам, пронизывающим корни растений. И приготовление сухих строительных смесей также возможно благодаря поверхностному натяжению добавляемой воды.

Молекулы воды активно притягиваются друг к другу, в результате ее поверхность при данном объеме стремится к минимиму. Именно поэтому естественной формой любой жидкости является шар. Это легко можно проверить оказавшись в невесомости. Хотя, для подобного эксперимента не обязательно лететь в космос, просто введите с помощью шприца немного воды в стакан с растительным маслом и наблюдайте, как она соберется в шарики.

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.