Какое давление льда при замерзании

Какое усилие создает вода, переходя в ледяное состояние?

Если вода замерзает при обычном давлении, то ее плотность с образованием льда уменьшается примерно на 9%. Поэтому замерзающая вода легко рвет стеклянные бутылки. Но что будет, если использовать достаточно прочный сосуд и не давать воде расширяться, но при этом отводить тепло? Тогда часть воды превратится в лед и расширится, а остальная останется жидкой, но сожмется. При этом в системе возрастет давление.

Вода считается почти несжимаемой жидкостью, но в действительности ее плотность возрастает примерно на полпроцента за каждые 100 атмосфер приложенного давления. Значит, когда 5% воды в нашем сосуде замерзнет, объем остальной воды уменьшится на 0,5%, а давление подскочит до 100 атмосфер — как в баллоне у аквалангиста.

По мере замерзания давление будет возрастать, пока не достигнет примерно 6000 атмосфер. К этому времени большая часть воды затвердеет, остатки жидкости будут иметь плотность 1,3 г/см3. Да и структура самого льда тоже измениться под действием давления — он приобретет необычную более плотную структуру называемую лед VI с плотностью 1,3 г/см3.

Итак, усилие, которое может развить замерзающая вода составляет до 6000 атмосфер. Это 5-6 раз больше, чем на дне Марианской впадины. Ни один обычный сосуд такое давление не выдержит, только специальное экспериментальное оборудование.

Я когда-то попытался это посчитать. Даже в «Ленинку» ездил, чтобы узнать коэффициент сжимаемости льда (сейчас бы, конечно, нашел бы в интернете). Получилось вот что.

Я взял такую модель. Толстая плита из прочной стали, в ней шаровая полость с водой при нуле градусов. Охладим плиту на один градус. Лед начнет намерзать на стенках полости. Из литра воды получится 1,09 л льда, который сжимает воду. И уже тонкий слой льда сильно увеличит давление в полости. Формула увеличения давления простая: ?P = ?V/(Vо?). Здесь где ?V – изменение объема сжатой воды, Vо исходный объем воды, ? – ее сжимаемость, она равна 5.10^-5 атм-1. То есть увеличение давления на 1 атм объем воды уменьшится на пять стотысячных начального. (Примерно так же сжимаются рубидий и цезий, а ртуть сжимается на порядок хуже воды.)

Пусть объем полости 10 л, замерзло x л воды, тогда, если подставить все значения, то получится, что изменение давления описывается простой формулой

?P = 2000х/(10 — х) атм. При этом предполагается, что лед не сжимается. Но это не совсем так: он сжимается, но примерно вчетверо хуже, чем вода. И это создает некоторую ошибку в расчетах. А дают они такие числа. Если из 10 л замерзло 0,1 л (при этом образуется слой льда толщиной 0,5 мм — это легко подсчитать), то давление будет примерно 20 атм. И дальше по мере нарастания слоя льда оно будет расти очень быстро. И следует учитывать, что с давлением понижается температура замерзания воды, примерно на один градус на каждые 130 атм. Если не считаться с сжимаемостью льда, можно получить теоретически бесконечное давление. Например, если бы замерзло 9,9 л воды, давление повысилось бы до 200 тысяч атм. Но этого реально не будет. Потому что при больших давлениях лед «ломается», то есть разрушается его кристаллическая решетка (она у обычного льда довольно рыхлая). Это разрушение произойдет при давлении около 2060 атм. При таком давлении вода замерзает уже при минус 22оC. Получается так называемой лед-III (разных льдов известно множество, есть и «горячий лед»; фазовая диаграмма воды изучена довольно хорошо). Результат «ломки льда» — давление перестает расти. Его можно повышать только с помощью пресса. Именно так были получены разные модификации льда, например, тот самый горячий лед-VII. При давлении 30 тысяч атм он плавится только при 190оC.

Источник

С какой силой расширяется вода при замерзании?

Ответ на этот вопрос дать можно, потому что сжимаемость воды известна (она равна 5х10 в минус 5-й степени обратных атмосфер), а сжимаемостью льда можно в первом приближении пренебречь (она примерно в четыре раза меньше). Если воду заключить в полость из очень прочного материала (например, залив ее через канал с резьбой и винтовой пробкой) и начать охлаждать, то вода в полости начнет замерзать с поверхности. При замерзании воды льда получается по объему больше — 1,09 литра из 1 л воды (поэтому лед легче). Образовавшаяся корочка льда начинает сжимать воду. В результате давление быстро растет. Можно подсчитать, что при замерзании всего 1% воды давление будет около 20 атм. Если лед не сжимался, то при замерзании 99% воды давление бы выросло дол 200 тысяч атмосфер. Но уже при 2060 атм (и температуре -22°С) структура льда изменяется, он переходит в плотный лед-III, и давление больше не растет.

Вопрос сформулирован так, что на него невозможно дать определённый ответ. Но тем не менее, описательный ответ дать можно. Зимой 1966-1967 года мне довелось работать на Стерлитамакском химическом заводе. И вот, так сложилось, что посередине зимы цех по производству ацетилена пришлось остановить на капитальный ремонт. В цехе для очистки смеси газов применялось очень вязкое минеральное масло. Чтобы уменьшить вязкость, масло прокачивалось по трубе, которая помещалась в другую трубу (система «труба в трубе»). В межтрубное пространство подавался водяной пар. И вот, когда цех остановили на капремонт, никому не пришло в голову, что межтрубное пространство нужно продуть, и выдуть оттуда пар. Естественно, пар в межтрубном пространстве сконденсировался, конденсат (вода) собралась в самом нижнем участке (горизонтальной) трубы, и замёрзла. При этом она сдавила внутреннюю трубу так, что труба в сечении выглядела как сарделька (или полумесяц). Толщина внутренней трубы была порядка 3-5 мм (дело было давно, точные размеры не помню). Так что можете себе представить, какая сила нужна для того, чтобы вдавить участок стальной трубы внутрь, до образования полумесяца.

Источник

Почему вода превращается в лед не при 0 градусов

Стандартное утверждение о том, что вода замерзает при достижении температуры в 0 градусов Цельсия, на самом деле некий стереотип. Температурных порогов, при которых замерзает вода, существует не так уж мало, и зависят они от разных свойств воды и окружающей обстановки. К примеру, чистая вода может даже замерзнуть при -42°С, в зависимости от условий, в которых она охлаждается.

Почему так происходит

Для формирования кристаллов льда могут использоваться различные частицы и дефекты тары

Чтобы кристаллы льда сформировались, необходима основа, а ею могут стать различные вещества и мелкие тела, например, пылевые частицы. А ожидать, что чистая вода замерзнет, согласно распространенному мнению, при нулевой температуре, не стоит. Ядрами кристаллизации, как известно из курса физики, могут выступать растворенные в воде минеральные и органические частицы, но и не только они.

Кристаллизация может «выбрать» в качестве основы различные дефекты тары, в которой вода в этот момент находится, такие как сколы и трещины, а также воздушные пузырьки. Кстати, так как у горячей воды число ядер кристаллизации больше, то и замерзает она быстрее, чем холодная. Этот интересный факт известен любому старшекласснику. Если сосуд чист, и сама вода тоже, то она может какое-то время при отрицательной температуре находиться в обычном жидком состоянии. Но оно считается неустойчивым, потому что стоит появиться какой-либо посторонней частице, например, пылинке, как вокруг нее немедленно начнет образовываться ледяной кристалл, и вся остальная вода вокруг тоже становится льдом.

Что нужно для замерзания соленой воды

Температура, при которой соленая вода превратится в лед, непосредственно зависит от того, насколько она соленая. То есть большая концентрация соли говорит о том, что температура должна опуститься ниже нуля, чтобы такая жидкость могла стать льдом. Так, вода в океане, начинает становиться льдом, когда температура ее доходит до «минус» 1,9°С.

При этом многих интересует судьба обитателей таких замерзающих вод. Кровь рыб, которые живут в полярных морях, замерзает при «минус» 0,5°С. Просто эти морские обитатели умеют тормозить процесс кристаллизации, благодаря тому, что их организм вырабатывает белки, которые вбрасываются в кровь.

Как влияет на замерзание заряд поверхности, соприкасающейся с водой

Дистиллированная вода замерзает при -42°С

Неспроста считается, что в дистиллированной воде полностью отсутствуют примеси. Этим объясняется тот факт, что замерзать она начинает только при достижении той самой температуры в «минус» 42°С. Путем многочисленных исследований ученые доказали, что замерзание воды при различных температурах также зависит от положительного или отрицательного заряда поверхности, с которой непосредственно соприкасается вода.

Если заряд отрицательный, то температура замерзания ниже, а при положительном – соответственно, наоборот. Если заряд меняется с отрицательного на положительный, то замерзание происходит при более высокой температуре.

Источник