Какое давление воды 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
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
Какое давление создает вода при замерзании
с какой силой вода при замерзании давит на стенки сосуда?
Вопрос этот весьма сложный. Дело в том, что если взять абсолютно жёсткий закрытый сосуд и поместить воду внутрь и охладить её до нуля градусов, то вода не замёрзнет если ей не дать расшириться в лёд! Если охладить ещё ниже, то абсолютно жёстких сосуд не даст ей замерзать. Я полагаю что при какой-то низкой температуре вода всё же замёрзнет в сжатом состоянии и лёд естественно будет иметь плотность 1 г/см^3. Какое при этом будет давление — трудно сказать. Я не думаю, что найдутся здесь мудерецы, которые ответят на этот вопрос. Надо бы поставить эксперимент, но где взять абсолютно жёсткий сосуд?
Кстати, конькобежцы пользуются этим способом плавления льда, оказывая на него огромное давление узкими лезвиями, они его моментально плавят без нагревания.
Однако вот я нашёл информацию про разные «льды». оказывается есть лёд, который плотнее воды:
«Ice III A tetragonal crystalline ice, formed by cooling water down to 250 K at 300 MPa. Least dense of the high-pressure phases. Denser than water.»
То есть такой лёд будет создавать давление 300 МРа — это почти 3000 атмосфер!
Вот полная таблица:
Phase Characteristics
Amorphous ice Amorphous ice is an ice lacking crystal structure. Amorphous ice exists in three forms: low-density (LDA) formed at atmospheric pressure, or below, high density (HDA) and very high density amorphous ice (VHDA), forming at higher pressures. LDA forms by extremely quick cooling of liquid water («hyperquenched glassy water», HGW), by depositing water vapour on very cold substrates («amorphous solid water», ASW) or by heating high density forms of ice at ambient pressure («LDA»).
Ice Ih Normal hexagonal crystalline ice. Virtually all ice in the biosphere is ice Ih, with the exception only of a small amount of ice Ic.
Ice Ic A Metastable cubic crystalline variant of ice. The oxygen atoms are arranged in a diamond structure. It is produced at temperatures between 130-150 K, and is stable for up to 200 K, when it transforms into ice Ih. It is occasionally present in the upper atmosphere.
Ice II A rhombohedral crystalline form with highly ordered structure. Formed from ice Ih by compressing it at temperature of 190-210 K. When heated, it undergoes transformation to ice III.
Ice III A tetragonal crystalline ice, formed by cooling water down to 250 K at 300 MPa. Least dense of the high-pressure phases. Denser than water.
Ice IV A Metastable rhombohedral phase. Doesn’t easily form without a nucleating agent.
Ice V A monoclinic crystalline phase. Formed by cooling water to 253 K at 500 MPa. Most complicated structure of all the phases.
Ice VI A tetragonal crystalline phase. Formed by cooling water to 270 K at 1.1 GPa. Exhibits Debye relaxation.
Ice VII A cubic phase. The hydrogen atoms’ positions are disordered; the material shows Debye relaxation. The hydrogen bonds form two interpenetrating lattices.
Ice VIII A more ordered version of ice VII, where the hydrogen atoms assume fixed positions. Formed from ice VII, by cooling it below 5 °C.
Ice IX A tetragonal metastable phase. Formed gradually from ice III by cooling it from 208 K to 165 K, stable below 140 K and pressures between 200 and 400 MPa. It has density of 1.16 g/cm³, slightly higher than ordinary ice.
Ice X Proton-ordered symmetric ice. Forms at about 70 GPa.
Ice XI An orthorhombic low-temperature equilibrium form of hexagonal ice. It is ferroelectric.
Ice XII A tetragonal metastable dense crystalline phase. It is observed in the phase space of ice V and ice VI. It can be prepared by heating high-density amorphous ice from 77 K to about 183 K at 810 MPa.
Ice XIII A monoclinic crystalline phase. Formed by cooling water to below 130 K at 500 MPa. The proton-ordered form of ice V.
Ice XIV An orthorhombic crystalline phase. Formed below 118 K at 1.2 GPa. The proton-ordered form of ice XII.
Ice XV The proton-ordered form of ice VI formed by cooling water to around 108-80 K at 1.1 GPa.
Источник
Что такое тройная точка воды или как может кипеть вода под слоем льда?
Термин «тройная точка» в 1873 году ввёл Джеймс Томсон, брат Уильяма Томсона (лорда Кельвина), в честь которого названа шкала температуры и её единица измерения.
Речь идёт об абсолютно естественном процессе.
Конечно, можно положить кусок льда в сосуд с кипящей водой. Но эффект будет кратковременным, лёд быстро растает. Что же тогда необходимо предпринять?
Все мы прекрасно знаем , что пресная вода кипит при 100 °C, а замерзает при 0 °C . Кроме того, всем известно, что пар горячий, а лёд холодный.
При охлаждении пар конденсируется в жидкость, которая при большем понижении температуры превращается в лёд. То есть в нашем случае, вероятно, сформируется ледяной пар, что кажется удивительным.
На самом деле вода может менять фазовые состояния при температурах, отличных от 0 и 100 °C. Вполне возможно получить кипящую воду при температуре 80 °C или таящий лёд при -5 °C.
Фактором, определяющим температуру фазового переходя является давление
Экспериментально можно выявить, что при снижении давления температура кипения воды понижается , а температура замерзания слегка повышается .
Фактически, при значительном понижении давления от нормального значения в 1 атм до 0.006 атм (высокий вакуум) температура кипения воды падает до 0.01 °С .
При этом температура замерзания незначительно растёт до 0.01 °С .
Например, на вершине горы Джомолунгма (8 848 м над уровнем моря) давление порядка 0.33 атм, а вода кипит при 71 °С.
Таким образом, при давлении приблизительно 0.006 атм и температуре 0.01 °С можно получить систему, в которой жидкая вода может одновременно замерзать и кипеть . Такова природа.
Аналогичное поведение , когда все три фазы, а именно твёрдая, жидкая, газообразная сосуществуют в термодинамическом равновесии, могут проявлять и другие чистые вещества.
Источник
Какова температура замерзания воды под давлением и для чего это необходимо знать?
Многие помнят из курса школьной физики о том, что температура замерзания воды составляет 0°.
На самом деле это определение нуждается в уточнении – при условии воздействия нормального атмосферного давления. Последнее в значительной степени можно считать условной величиной.
О том, какова температура замерзания воды, находящейся под давлением, расскажем в статье.
Замерзает ли?
При атмосферном давлении в 760 мм рт.ст (или 0,1 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.
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.
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.
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.
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.
Источник
Источник