Какое давление создает вода при замерзании
Содержание статьи
Какое давление создается при замерзании воды
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
Источник
Какое давление может создать вода при замерзании и почему?
1
2 ответа:
3 0
Плотность льда 0,9167 кг/дм^3 (кг/л). При замерзании воды объём образующегося льда на 9 % больше, чем исходный объём воды. При этом создаются огромные давления. Если заполнить водой (без остатков воздуха) металлическую бочку, закрыть герметично крышку и выставить на мороз, то лёд разорвёт бочку по шву или выдавит дно. Когда-то в юности я, обучаясь в техникуме, проходил практику на химическом предприятии. Там, в частности был трубопровод с горячим маслом. Чтобы масло не остывало, масляная труба была заключена в другую трубу большего диаметра. По образующемуся кольцевому пространству подавался водяной пар. Однажды зимой предприятие остановили на ремонт (аварийно). При этом никто не подумал о том масляном трубопроводе «труба в трубе». Во время ремонта пар, естественно, не подавался. Арматура на входе пара и выходе конденсата была закрыта. на горизонтальном участке этого трубопровода был прогиб (естественно, вниз). Так вот вода, образовавшаяся при конденсации пара, собралась в этой низине, и замёрзла. При этом создалось такое давление, что внутреннюю трубу (диаметром около 50 мм и толщиной около 3 мм) просто сплющило так, что по ней не могло проходить масло.
А в природе, попавшая в трещины камней или скал вода при замерзании раскалывает их.
2 0
Это давление известно, и его в принципе можно рассчитать. А возникает давление вот почему. При замерзании воды из одного ее литра получается 1,09 куб. дм льда. Если вода замерзает в замкнутом объеме, льду «некуда деваться», поэтому он начинает сжимать воду. Вода сжимается очень неохотно, хотя коэффициент сжимаемости давно измерен и равен 5х10-5 атм-1. То есть при увеличении давления на 1 атм вода сжимается всего на несколько стотысячных от исходного объема. В результате образование даже тонкого слоя льда (сосуд замкнут, лет растет с его внутренней поверхности) приведет к очень большому повышению давления. Кстати, лед тоже немного сжимается, но в несколько раз хуже, чем вода. Расчет показывает, что если из 10 л воды замерзло 0,1 л, то на стенке сосуда образуется слой льда толщиной 0,5 мм. При этом давление в сосуде уже будет 20 атм. При понижении внешней температуры и увеличении толщины ледяной корки давление быстро увеличивается. Если бы лед был несжимаем, можно было бы получить любое давление, теоретически хоть миллион атмосфер. Однако реально при давлении около 2050 атм структура обычного льда перестраивается и давление больше не растет. Получается тяжелый лед-III, более плотный, чем вода.
Читайте также
Боль в ушах при нырянии на большую глубину возникает от разницы давления на барабанную перепонку в ухе. Снаружи повышенное давление окружающей среды, а внутри осталось обычное атмосферное. Чтобы их уравновесить и снять боль необходимо «продуть уши» дунув в заткнутый нос. Опытные ныряльщики делают это автоматически глотательными движениями. Повышенное давление воздуха через евстахиеву трубу попадает в среднее ухо и снимает напряжение с барабанной перепонки. Обычный насморк блокирует эту возможность и поэтому нырять при насморке не рекомендуется.
Если это обычные квартирные трубы и они, скажем прохудились от старости или по какой-нибудь иной причине, на поврежденное место проще всего одеть хомут соответствующего диаметра с резиновой прокладкой. Хомуты продаются в любом отделе сантехники. Конечно, это временная мера, до приезда сантехников и замены труб, чтобы не затопить соседей. На случай неожиданной аварии лучше заранее приобрести несколько хомутов и моток изоляционной ленты «ЛЭТСАР» — ею можно временно подлатать чугунные радиаторы отопления. А вообще, если менять поврежденный участок почему-то не получается, делают хомут из листовой стали и обваривают его по краям сваркой.
Как гипертоник со стажем, скажу: пейте что угодно, что вам больше самой нравится.
Ведь чаще проблема не в том, что пить, а в том — сколько!
Ведь количество нашей крови напрямую зависит от количества выпитой нами жидкости. Выпили литр сока — значит и количество крови увеличилось на литр, пошла большая нагрузка на наш насос — и первый удар идет на сердце, а почкам нужно все лишнее вывести, а то лопнем, для них это тоже удар. А ведь моча не может идти одной водой, в ней находятся определенные соли, которые организм заберет из костей — вот и третий удар.
Поэтому и первая помощь при очень большом давлении — мочегонное: срочно вывести лишнюю жидкость из организма, уменьшить объем крови, дать передышку сердцу.
Поэтому у любого гипертоника обязательно проверяются и почки: ведь при их плохой работе жидкость задерживается и артериальное давление сразу же повышается, а больной пиелонефритом становится и гипертоником. И наоборот: прыжки с давлением сильно портят почки.
Многие напитки иногда очень хочется выпить, потому что там содержатся нужные нам именно сейчас вещества, а выпили, пополнили запас, и на следующий день и смотреть на этот напиток не захотите.
Поэтому и держитесь принципа «Золотой середины»:
И это касается не только алкоголя, но и всей другой жидкости. Уменьшите количество поваренной соли в пище — и жажда меньше будет вас беспокоить. Не допускайте большой физической нагрузки — ведь пот тоже потеря жидкости, которую организм захочет пополнить и с лихвой.
И если первая часть вопроса — «Что пить?» вам понятна, переходим ко второй: «Сколько?»
Естественно все это строго ИНДИВИДУАЛЬНО!
Ведь оно зависит от множества факторов: вашего роста, веса, физической нагрузки, температуры окружающего вас воздуха, ваших сопутствующих заболеваний, приема лекарств и т.д.
Поэтому не верьте призыву пить воды до 2-х литров в день обязательно!
Но немного решить этот вопрос можно, посмотрев на цвет своей мочи: сильно темная — солей много, а жидкости не хватает, сильно светлая — перебор с жидкостью.
Вода, как и любая жидкость в поле тяготения, оказывает давление на стенки и на дно сосуда, в котором находится. Это значит, что она оказывает на них силовое воздействие путем ударов своих молекул. Если в нижней части бочки с водой сделать дырочку, из нее начнет быть струя воды. И чем бочка выше, тем струя будет сильнее. Можно в связи с этим вспомнить знаменитый опыт Паскаля: в бочку с водой и с герметичной крышкой он вставил в дырочку, просверленную в крышке, длинную стеклянную трубочку. И начал наполнять (с балкона дома) трубочку водой. Когда уровень воды поднялся на определенную высоту, бочку давлением воды разорвало! Это поразило наблюдателей, а Паскаль стал одним из основателей гидростатики.
В отрытом космосе — вакуум.
Вода в стакане в космосе будет сначала кипеть по той причине, что молекулы воды будут быстро испаряться.
А потом оставшаяся вода превратиться в лед, по той причине, что из-за испарения вода быстро теряет температуру.
Вакуум температуры не имеет. Если твердое вещество в вакууме имеет какую-то температуру, горячую или холодную, то такая температура у него и останется. Единственно то, что вещества обмениваются друг с другом различными излучениями, и из-за этого меняется их температура в вакууме.
Источник
Какая температура замерзания воды под давлением и для чего это необходимо знать?
Замерзает ли?
При атмосферном давлении в 760 мм рт.ст (или 0,101 МПа), вода превращается в лед уже при 0°С, как известно из школьного курса.
Но при уменьшении этого показателя меняется и точка кипения, и t°, при которой происходит превращение в лед — последняя как раз повышается.
В горах, где разреженный воздух, на определенной высоте она может уже составлять +2…+4°С. И наоборот, чем больше среда давит на воду, тем ниже находится точка замерзания на графиках.
Интересно, что при давлении в 611,73 Па совпадают температура кипения воды и плавления льда. Она составляет +0,01°С. Этот показатель называют тройной точкой воды из-за того, что она находится сразу в трех состояниях.
Считается, что при более низком показателе она просто не сможет сохранять жидкое состояние и будет превращаться в водяной пар. Причем температура плавления льда и точка замерзания воды обычно не совпадают, это разные величины.
Хотя для удобства бытовых расчетов их часто отождествляют, поскольку при 760 мм рт.ст. они как раз будут одинаковыми.
Но при этом нет такого давления, при котором бы вода совсем не замерзала. Другое дело, что в лабораторных условиях можно создать такую ситуацию, при которой вода будет замерзать только при -20…-40°С.
Кроме того, возможно получение и нестабильного состояния — переохлажденной жидкости. Но если в ней появится центр кристаллизации, она сразу же превратится в лед.
Температура в зависимости от показателя
Чтобы четко определить температуру замерзания, нужно сначала понять, как связаны эти 2 параметра.
Как они взаимосвязаны?
При увеличении давления, температура замерзания снижается, при уменьшении — t° растет. Существуют специальные формулы, которые помогают рассчитать конкретное значение.
Таблица таких соотношений выглядит следующим образом:
| Температура, °С | Давление, мПа |
| 0,1 | |
| -1 | 1 |
| -2 | 30 |
| -3 | 40 |
| -4 | 50 |
| -5 | 60 |
| -10 | 110 |
| -22 | 210 |
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.
В природных условиях пресная вода всегда содержит примеси — пылинки, молекулы соли и т.д. Все они могут стать центрами кристаллизации, поэтому процесс будет протекать быстрее, чем при тех же условиях, но в очищенной воде в лабораторных условиях.
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%.
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.
Наличие любых примесей, в том числе и тех, что находятся в минеральной воде, повышает температуру замерзания, даже, если прочие условия остаются теми же.
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.
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.
Сведения об этих показателях и их соотношениях также нужны тем, кто занимается прокладкой отопительных систем. Важны они и для автомобилистов, которым приходится часто сталкиваться с замерзанием жидкости в радиаторе.
Заключение
Температура замерзания воды под давлением — вопрос более сложный, чем могло бы показаться на первый взгляд. Иногда даже в быту для ее расчета нужно применять громоздкие формулы или готовые таблицы соотношений.
А какова Ваша оценка данной статье?
Источник