Расширение льда при замерзании. Свойства воды: «Обыкновенные чудеса» в нашей жизни

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 …

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.

• >

  Подозреваю, что в результате того, что лед легче незамерзшей воды, первые кристаллы льда всплывают, комбинируясь друг с другом и в верхней части замерзание происходит быстрее.

  Стоит отметить, что с другой стороны, есть конвекция, которая будет действовать ровно наоборот, поднимая более теплую воду наверх, и препятствуя там ледообразованию. Однако мне кажется, что при медленном равномерном промерзании этот эффект нивелируется.

• Как запаять ПОЛНУЮ банку с водой?

  Согласен. Идеальное запаивание тут не получается. Так, наляпывание припоя сверху, лишь бы вода не вытекала. Кстати, в месте пайки действительно образуется водяной пар при нагреве паяльником.

  Очевидно, что объем воды вернется к первоначальному. Однако за счет чего – тут есть предположение, что вдавится не донышко (оно сильно сводообразное стало), а боковая стенка банки.

  Если бы баночка была абсолютно герметична – тогда да, вдавилась бы боковая стенка. А так все равно воздух проникает. Поэтому после разморозки получается, что сверху появляется воздух, во время заморозки дно выдавливается еще сильнее, и так далее, пока совсем его не вырвет.

  P. S. Сегодня разморозил банку, и поставил на второе замораживание. Посмотрим, что из этого получится...

• 1. пробовал запаять не выходит! смог только заварить полуавтоматом (электро–сваркой) заморозил, разморозил дно не втянулось подумал из–за воздуха, взял другую банку впаял пипку от камеры проверил воздухом на 2 атм утечек нет залил воды воздуха нет! заморозил разморозил бока почти не втянулись проверил через час появилось избыточное давление и мне кажется что при заморозке и разморозке воды выделяется растворенный в ней воздух потому и бока не втягиваются
  2, вода кристаллизуется сверху (река зимой, бочка с водой) лед легче воды, думаю, что и холодно–проводность.
• банка такая же как и ваша из–под молока произошло все анологично как у вас после разморозки слегка спало напряжение размораживал при комнатной температуре мне кажется стоит учитывать температуру воды в моем случае это 7 градусов, а комнатная 25 градусов тоже наверное влияет. сейчас проверяю что будет если банки положить набок швом к верху и швом к низу!
• > 1. Почему замерзающая вода выдавливается именно нижнюю крышку, и практически не влияет на верхнюю?
  Пологаю что процесс заморозки, учитывая то что банка находилась в пластиковой таре, протикал не ровномерно. Первым стала замерзать верхняя часть банки потому как она была ближе к холоду нижняя же часть нахоидась там где между стенками пластика и ж. банки находился воздух чуть теплее чем с верху. Далее обледенение внутр верхней части банки придовало ей дополнительную прочность но превращаясь в лед вода расширялась и давила на жидкость в нижней части ж. банки.
• > 1. Почему замерзающая вода выдавливается именно нижнюю крышку, и практически не влияет на верхнюю?

  1. лед образуется сверху. это обусловлено тем, что остывающая (а не замерзающая вода как пишет автор) поднимается к верху за счёт того что при остывании (от 4 градусов до 0) плотность уменьшается.
  2. остывающая (а не замерзающая вода как пишет автор) за счет увеличения обьема давит уже не на крышку а на ледяную "шайбу" которая распределяет усилие по всей площади крышки равномерно. наиболее "слабая" часть крышки (от центра) подвергается такому же давлению что и наиболее "сильные" части (возле боковых стенок). вследствие этого усилие создаваемое остывающей водой гаситься "сильной" частью крышки. в нижней же части льда нет, вода давит на "сильные" части, они не прогибаются, общее давление переходит на "слабые" части, не поглощаясь "сильными" (потому что усилие через воду передается во всех направлениях). както вот так.

• Тов. Ученые! А может кто подскажет какое давление оказывает замерзающая вода и образовавшийся лед на стенки сосуда?
• Не мудрите. Продавило низ, потому что гравитация работает и на эту банку + то, что с низу самая большая плотность воды при замерзании, по-этому не верху банально не было столько же массы для расширения, сколько ее было снизу.

  Давление вычислит можно по p1/p2 = ((n вода)/(n лед))*T1/T2

  Выдавится всегда нижняя крышка, разве что банка будет замерзать в условии постоянного вращения. Или в условии отсутствия воздействия гравитации.

  Что-бы получить температуру льда для уравнения выше, мерим температуру банки, Q1=Q2, Q1=c*m*dT (банка)
  Q2=c2*m2*dT2 + dL*m + c3*m2*dT3
  вода охлаждается + вода кристаллизуется + лед охлаждается
  dT3 = (c*m*dT-c2*m2*dT2-dL*m)/(c3*m2)

  Это будет изменение температуры льда.
  Подставите его в T=0+273-dT3 - будет температура Т2.
  Температура T1 - воды - термометром когда вода войдет в термодинамическое равновесие с банкой.

  P2 - давление льда, p1=pa+((m*9.8)/S(дна))

  Вроде бы и все.
  Получите p2, который будет равен величине давления, необходимого что-бы выдавить вашу банку на сколько-то.

  В упрощенной форме эта задача выглядит так, и результат не абсолютно точен. Для точности тут надо было-бы проинтегрировать, да думаю это перебор.

  Надеюсь ничего не упустил.

• Саша	13 декабря 2012, 16:14

  Рассматриваемый эффект происходит из-за того, что действительно плотность льда меньше плотности воды, следовательно в начальном этапе происходит замерзание верхних слоёв (сверху вниз). Когда верхние слои замерзают, они взаимодействуют со стенками сосуда (сила трения!). В конечном этапе замерзания эта сила трения о стенки больше чем сила противодействия нашего донышка. Донышко поэтому и выдавливает.

• Иван	7 ноября 2014, 06:54

  0lympian , как вы знаете, при остывании воды тёплые её слои будут подниматься вверх, а холодные опускаться в низ, этот эффект наблюдается до 4 градусов Цельсия (наибольшая плотность воды) и перемещения слоёв не будет до тех пор, пока вода не охладится на всю глубину до 4х градусов. После этого происходит кристаллизация молекул (плотность их меньше плотности воды при 4х градусах) и они поднимаются вверх, образуется лёд у верхней крышки банки, а в процессе дальнейшего замерзания льду проще выдавить нижнюю крышку банки чем преодолеть сопротивление образовавшейся на верху "ледяной пробки" (по пути наименьшего сопротивления).
• Александр , неполный бак не вскроет, т.к. в местах давления лёд будет плавиться.

• 11 января 2015, 07:44

  Спасибо Вам большое! Я понимаю, что вопрос мог показаться примитивным, уровень школьной программы по физике, но я - гуманитарий, а в школе, мягко выражаясь, к точным наукам не "тянуло". Хотя, некоторые позиции в физике и особенно в геометрии меня привлекали. Я предполагал, что есть место при расширении льда, но не был уверен - значит бак просто проржавел в стыке. Ещё раз спасибо за ответ! Спасибо, ещё раз за ответ, с прошедшими праздниками! С Уважением. Александр.
• peta, насколько я понимаю, посторонние предметы (доски, поленья, бутылки) в замерзающей воде мешают сформироваться цельному куску льда. Который как раз и давит в стороны и вниз. Вместо этого имеем несколько кусков, которые могут смещаться относительно друг друга и поэтому не давят на стенки и дно бака.
• На боковые стенки и на дно расширяющийся лёд НЕ оказывает давления.

  Пропустил "НЕ" оказывает

• peta в бак с водой ставят пол.ено защёт него выходит избыточное давление после обледенениянаружных стенок и шапки(верхний лёд). Также и с бутылками (пластиковыми). Лучше оставлять бассейн, на половину полный,чтоб давление мёрзлой земли и лёд в нём кампенсировали друг друга.
• А вы не подумали над тем, что банка металлическая и имеет свойство сжиматься в мороз, и расширяться при плюсовой температурите?

• Эдуард

  26 марта 2016, 07:35

  А ведь банка из-под молока? А молоко - жировая эмульсия. А вы банку обезжиривали изнутри? А если нет, то жир создал мономолекулярный слой на поверхности воды в банке, так? Может, еще и это повлияло? ну, и известно, что давление больше в том направлении, где слабее противодействие ему. Поэтому, если заиерзание происходит сверху вниз, то оставшаяся незамороженной вода, замерзая, давит туда, где массивного льда еще нет? То есть - на относительно пластичную нижнюю крышку, дно?
• кто что пишет, и ни один не ответил, почему лопается закрытая стеклянная банка полная. Я на днях зарубился на спор, что лопается она потому, что вода свой объём не меняет, а стекло сжимается от холода, а сжиматься некуда, вот банка и лопается..Меня обсмеяли, но я точно помню что говорил учитель физики. А может что то запамятовал? Поправьте меня..
• и сейчас уверен, что я прав.

• 25 сентября 2016, 17:14

  Владимир Немов , вода как раз меняет объем: плотность воды = 1, а плотность льда = 0.9. То есть при замерзании получается резкий скачок занимаемого объема. А так как банка имеет неизменный объем, то вот и лопается. Еще плохо то, что это стекло - трещина идет сразу по всей банке. Я как-то "запорол" трехлитровую банку, в которой случайно замерз от силы литр воды - треснула полностью.
• Если Вы человек знающий, спорить не буду, но что то не даёт покоя, что то не так...Стекло при замерзании не стремится уменьшиться в объёме?А металл? Вот где прячется наверное ответ! Но за Ваше разъяснение всё равно спасибо.
• Спасибо.
• Замерзающая вода выдавливается через нижнюю крышку, потому что потенциальная энергия воды-льда не увеличивается, поэтому центр масс становится ниже
• При изменении агрегатного состояния вещества и одновременном поглощении энергии объём тел увеличивается.
• Вопрос актуальный с точки зрения практики. Был случай. На могиле зимой лопнул кувшин из искусственного камня. Совет очевидный: накрывать его перед морозами, чтобы в него не попадала вода. Но не всегда имеется такая возможность. Какое ещё есть решение? Например, во внутрь что-то положить.
• всё очень занятно так как работаю над темой ипользования холодной энергии разработал п.в.д почти вечный двиг.
• Николай! Поделись своей разработкой. Или дай ссылку, где она обсуждается.
• Все дело в том что лед всплывая к верхушке банкиобразует собой ровный каркас, что делает дальнейшее давление на верхнюю крышку равномерным, а нижняя часть застывает не ровной площадью чему равно дно банки и при соотношении 70% льда и 30% воды грубо говоря лед в нижней его части становитбся в виде клина, что дает меньшую площадь давления и изза чего дно банки и продавливаеться. Так же можно и учесть силу тяжести, лед всеже давит на дно даже если есть вода, немного конечно, даже не заметно но давит.
• Был вопрос - какой и из чего нужно сделать сосуд, чтобы его не разорвало при замерзании воды. Вода замерзая увеличивает свой объем на 10% примерно. Раз сосуд не разорвало - значит вода не увеличила объем - т.е. не замерзла. Теперь справка - температура замерзания воды понижается при увеличении давления примерно на 1 гр. С на каждые 130 атм. и достигает минимума (-22 гр. С) при давлении 2200 атм. Т.е. можно утверждать, что сосуд который не разорвет от замерзания воды по до температуры -22 гр. С должен выдержать 2200 атм. Т.е. больше 2 тонн на кв. см. Больше чем на дне Марианской впадины
• Лед образуется сверху. Так как лёд это твёрдое вещество, то продавить давлением толщу льда+верхняя крышка, труднее чем продавить дно без льда.А дальше эффект поршня сверху вниз с давлением на воду.

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.

Расширяется или сжимается? Ответ следующий: с приходом зимы вода начинает свой процесс расширения. Почему это происходит? Это свойство выделяет воду из списка всех остальных жидкостей и газов, которые, наоборот, сжимаются при охлаждении. В чем заключается причина такого поведения этой необычной жидкости?

Физика 3 класса: вода при замерзании расширяется или сжимается?

Большинство веществ и материалов увеличиваются в объеме при нагревании и уменьшаются при охлаждении. Газы этот эффект показывают более заметно, но различные жидкости и твердые металлы проявляют такие же свойства.

Одним из наиболее ярких примеров расширения и сжимания газа является воздух в воздушном шаре. Когда мы выносим воздушный шар на улицу в минусовую погоду, то шар сразу уменьшается в размерах. Если мы шар вносим в отапливаемое помещение, то он сразу же увеличивается. А вот если мы внесем воздушный шар в баню - он лопнет.

Молекулы воды требуют больше места

Причиной тому, что происходят эти процессы расширения и сжатия различных веществ, являются молекулы. Те из них, которые получают больше энергии (это происходит в теплом помещении), двигаются намного быстрее, чем молекулы, находящиеся в холодном помещении. Частицы, которые имеют большую энергию, сталкиваются намного активнее и чаще, им необходимо больше места для движения. Чтобы сдержать то давление, которое оказывают молекулы, материал начинает увеличиваться в размерах. Причем это происходит достаточно стремительно. Итак, вода при замерзании расширяется или сжимается? Почему это происходит?

Вода не подчиняется этим правилам. Если мы начинаем охлаждать воду до четырех градусов Цельсия, то она уменьшает свой объем. Но если температура продолжает падать, то вода вдруг начинает расширяться! Существует такое свойство, как аномалия плотности воды. Это свойство возникает при температуре в четыре градуса Цельсия.

Теперь, когда мы выяснили, расширяется или сжимается вода при замерзании, давайте узнаем, как вообще возникает эта аномалия. Причина таится в частицах, из которых она состоит. Молекула воды создана из двух атомов водорода и одного - кислорода. Формулу воды все знают еще с начальных классов. Атомы в этой молекуле притягивают электроны по-разному. У водорода создается положительный центр тяжести, а у кислорода, наоборот - отрицательный. Когда молекулы воды сталкиваются друг с другом, то атомы водорода одной молекулы переходят на атом кислорода совершенно другой молекулы. Этот феномен называется водородной связью.

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.