ماذا يفعل الماء عندما يبرد. ماذا يحدث للماء عندما يسخن
نحن محاطون بالماء ، في حد ذاته ، في تكوين مواد وأجسام أخرى. يمكن أن تكون صلبة أو سائلة أو غازية ، لكن الماء دائمًا ما يكون حولنا. لماذا يتصدع الإسفلت على الطرق ، ولماذا تنفجر جرة زجاجية من الماء في البرد ، ولماذا تتعطل النوافذ في موسم البرد ، ولماذا تترك الطائرة أثرًا أبيض في السماء - سنبحث عن إجابات لكل هذه الأسباب وغيرها في هذا الدرس. سوف نتعلم كيف تتغير خصائص الماء عند تسخينه وتبريده وتجميده ، وكيف تتشكل الكهوف تحت الأرض والأشكال الغريبة فيها ، وكيف يعمل مقياس الحرارة.
الموضوع: الطبيعة غير الحية
الدرس: خواص الماء السائل
الماء في شكله النقي ليس له طعم أو رائحة أو لون ، لكنه لا يحدث أبدًا على هذا النحو ، لأنه يذيب بنشاط معظم المواد في حد ذاته ويتحد مع جزيئاتها. أيضًا ، يمكن أن يخترق الماء أجسامًا مختلفة (وجد العلماء الماء حتى في الحجارة).
إذا أخذت ماء الصنبور في كوب ، سيبدو نظيفًا. لكن في الواقع ، هذا حل للعديد من المواد ، من بينها غازات (أكسجين ، أرجون ، نيتروجين ، ثاني أكسيد الكربون) ، شوائب مختلفة في الهواء ، أملاح مذابة من التربة ، حديد من أنابيب المياه ، أصغر جزيئات غبار غير منحلة ، إلخ.
إذا قمت بتقطير قطرة من ماء الصنبور على كوب نظيف وتركته يتبخر ، فستظل هناك بقع صغيرة.
مياه الأنهار والجداول ، تحتوي معظم البحيرات على شوائب مختلفة ، مثل الأملاح الذائبة. لكنهم قليلون ، لأن هذه المياه عذبة.
تتدفق المياه على الأرض وتحت الأرض ، وتملأ الجداول والبحيرات والأنهار والبحار والمحيطات ، وتخلق قصورًا تحت الأرض.
يشق الماء طريقه من خلال المواد القابلة للذوبان بسهولة ، ويتغلغل في عمق الأرض ، ويأخذها معه ، ومن خلال الشقوق والشقوق في الصخور ، وتشكيل الكهوف تحت الأرض ، ويتقطر من خزائنها ، مما يخلق منحوتات غريبة. تتبخر بلايين من قطرات الماء على مدى مئات السنين ، وتستقر المواد الذائبة في الماء (الأملاح والحجر الجيري) على أقبية الكهف ، وتشكل رقاقات حجرية تسمى الهوابط.
تسمى التكوينات المماثلة الموجودة على أرضية الكهف بالصواعد.
وعندما ينمو الهوابط والصواعد معًا ، ويشكلان عمودًا حجريًا ، يطلق عليه اسم الركود.
عند مراقبة انجراف الجليد على النهر ، نرى الماء في الحالة الصلبة (الجليد والثلج) ، والسائل (يتدفق تحته) والحالة الغازية (أصغر جزيئات الماء التي ترتفع في الهواء ، والتي تسمى أيضًا بخار الماء).
يمكن أن يكون الماء في نفس الوقت في جميع الحالات الثلاث: يوجد دائمًا بخار ماء في الهواء والسحب ، والتي تتكون من قطرات الماء وبلورات الجليد.
بخار الماء غير مرئي ، لكن يمكن اكتشافه بسهولة إذا تركت كوبًا من الماء باردًا في الثلاجة لمدة ساعة في غرفة دافئة ، تظهر قطرات الماء على جدرانها على الفور. عند ملامسته للجدران الباردة للزجاج ، يتحول بخار الماء الموجود في الهواء إلى قطرات ماء ويستقر على سطح الزجاج.
الشكل: 11. التكثيف على جدران الزجاج البارد ()
للسبب نفسه ، في موسم البرد ، يرتفع ضباب زجاج النافذة من الداخل. لا يمكن للهواء البارد أن يحتوي على قدر من بخار الماء مثل الهواء الدافئ ، لذلك يتكثف بعضه ويتحول إلى قطرات ماء.
الدرب الأبيض خلف طائرة تحلق في السماء هو أيضًا نتيجة لتكثف المياه.
إذا أحضرت مرآة لشفتيك وزفير ، ستبقى أصغر قطرات من الماء على سطحها ، وهذا يثبت أنه عند التنفس ، يستنشق الشخص بخار الماء بالهواء.
عند تسخينها ، "يتمدد" الماء. يمكن إثبات ذلك من خلال تجربة بسيطة: تم إنزال أنبوب زجاجي في دورق به ماء وقياس مستوى الماء فيه ؛ ثم تم إنزال القارورة إلى وعاء به ماء دافئ ، وبعد تسخين الماء ، تمت إعادة قياس المستوى في الأنبوب ، والذي ارتفع بشكل ملحوظ ، حيث زاد حجم الماء عند تسخينه.
الشكل: 14. قارورة مع أنبوب ، رقم 1 وشرطة تشير إلى مستوى الماء الأولي
الشكل: 15. قارورة مع أنبوب ، رقم 2 وشرطة تشير إلى مستوى الماء عند التسخين
عندما يبرد الماء "مضغوط". يمكن إثبات ذلك من خلال تجربة مماثلة: في هذه الحالة ، تم إنزال القارورة التي تحتوي على الأنبوب في وعاء به ثلج ؛ وبعد التبريد ، انخفض مستوى الماء في الأنبوب بالنسبة إلى العلامة الأولية ، لأن حجم الماء انخفض.
الشكل: 16. قارورة مع أنبوب ، رقم 3 وشرطة تشير إلى مستوى الماء عند التبريد
يحدث هذا لأن جزيئات الماء ، عند تسخينها ، تتحرك بشكل أسرع ، وتصطدم مع بعضها البعض ، وتتنافر من جدران الوعاء ، وتزداد المسافة بين الجزيئات ، وبالتالي يأخذ السائل حجمًا أكبر. عندما يبرد الماء ، تتباطأ حركة جزيئاته ، وتقل المسافة بين الجزيئات ، ويتطلب السائل حجمًا أصغر.
الشكل: 17. جزيئات الماء من درجة الحرارة العادية
الشكل: 18. جزيئات الماء عند تسخينها
الشكل: 19. جزيئات الماء عند تبريدها
هذه الخصائص لا تمتلكها المياه فقط ، ولكن أيضًا السوائل الأخرى (الكحول والزئبق والبنزين والكيروسين).
أدت معرفة خاصية السوائل هذه إلى اختراع مقياس حرارة (مقياس حرارة) ، حيث يتم استخدام الكحول أو الزئبق.
عندما يتجمد ، يتمدد الماء. يمكن إثبات ذلك إذا كانت الحاوية ، المملوءة حتى أسنانها بالماء ، مغطاة بغطاء غير محكم ووضعت في الفريزر ، بعد فترة سنرى أن الثلج المتشكل سيرفع الغطاء ويخرج من الحاوية.
تؤخذ هذه الخاصية في الاعتبار عند وضع أنابيب المياه ، والتي يجب عزلها حتى لا يكسر الجليد المتكون من الماء الأنابيب عند التجميد.
في الطبيعة ، يمكن للمياه المتجمدة أن تدمر الجبال: إذا تراكمت المياه في شقوق في الصخور في الخريف ، فإنها تتجمد في الشتاء ، وتحت ضغط الجليد الذي يحتل حجمًا أكبر من الماء الذي تشكلت منه ، تتشقق الصخور وتنهار.
يؤدي تجمد الماء في شقوق الطرق إلى تدمير الرصيف الإسفلتي.
القمم الطويلة التي تشبه الطيات على جذوع الأشجار هي عبارة عن جروح ناتجة عن فواصل الخشب تحت ضغط تجمد نسغ الأشجار فيها. لذلك ، في الشتاء البارد ، يمكنك سماع طقطقة الأشجار في الحديقة أو في الغابة.
- Vakhrushev A.A.، Danilov D.D. العالم من حولنا 3. م: بالاس.
- دميترييفا نيا ، كازاكوف أ. العالم من حولنا 3. م: دار النشر "فيدوروف".
- Pleshakov A.A. العالم المحيط 3. م: التعليم.
- مهرجان الأفكار التربوية ().
- العلم والتعليم ().
- الطبقة العامة ().
- قم بإجراء اختبار قصير (4 أسئلة مع 3 إجابات محتملة) حول موضوع "الماء من حولنا".
- جرب تجربة صغيرة: ضع كوبًا من الماء شديد البرودة على الطاولة في غرفة دافئة. صف ما سيحدث ، واشرح السبب.
- * رسم حركة جزيئات الماء في حالة ساخنة وطبيعية ومبردة. إذا لزم الأمر ، قم بتسمية الرسم الخاص بك.
في أنظمة تسخين الماء الساخن ، يتم استخدام الماء لنقل الحرارة من مولده إلى المستهلك.
من أهم خصائص الماء:
السعة الحرارية؛
التغيير في الحجم عند التسخين والتبريد ؛
خصائص الغليان مع التغيرات في الضغط الخارجي ؛
التجويف.
ضع في اعتبارك هذه الخصائص الفيزيائية للماء.
حرارة نوعية
من الخصائص المهمة لأي ناقل حراري قدرته الحرارية. إذا عبرنا عنها من حيث الكتلة والفرق في درجة حرارة المبرد ، فسنحصل على السعة الحرارية المحددة. يشار إليه بالحرف ج ولها البعد كيلو جول / (كجم · ك)
حرارة نوعية هي كمية الحرارة التي يجب نقلها إلى 1 كجم من مادة (على سبيل المثال ، الماء) لتسخينها بمقدار 1 درجة مئوية. على العكس من ذلك ، تعطي المادة نفس القدر من الطاقة عند تبريدها. متوسط \u200b\u200bقيمة حرارة الماء النوعية في النطاق بين 0 درجة مئوية و 100 درجة مئوية هو:
c \u003d 4.19 kJ / (kg · K) أو c \u003d 1.16 Wh / (kg · K)
كمية الحرارة الممتصة أو المتولدة سأعرب عن ي أو كيلوجول، يعتمد على الكتلة مأعرب عن كلغ، حرارة نوعية ج والفرق في درجة الحرارة المعبر عنه بـ ك.
زيادة الحجم وتقليله
تتمدد جميع المواد الطبيعية عند تسخينها وتنكمش عند تبريدها. الاستثناء الوحيد لهذه القاعدة هو الماء. هذه الخاصية الفريدة تسمى شذوذ المياه. كثافة الماء أعلى عند +4 درجة مئوية ، حيث 1 dm3 \u003d 1 لتر كتلته 1 كجم.
إذا تم تسخين الماء أو تبريده حول هذه النقطة ، يزداد حجمه ، مما يعني انخفاض الكثافة ، أي يصبح الماء أخف. يمكن رؤية ذلك بوضوح في مثال الخزان بنقطة الفائض. يحتوي الخزان بالضبط على 1000 سم 3 من الماء بدرجة حرارة +4 درجة مئوية. عندما يسخن الماء ، سوف يسكب البعض من الخزان في وعاء القياس. إذا تم تسخين الماء إلى 90 درجة مئوية ، فإن 35.95 سم 3 بالضبط سوف تصب في وعاء القياس ، والذي يتوافق مع 34.7 جم. ويتمدد الماء أيضًا عندما يبرد أقل من +4 درجة مئوية.
بسبب هذا الشذوذ في المياه بالقرب من الأنهار والبحيرات ، فإن الطبقة العليا هي التي تتجمد في الشتاء. للسبب نفسه ، يطفو الجليد على السطح ويمكن لشمس الربيع أن تذوبه. لم يكن هذا ليحدث لو كان الجليد أثقل من الماء وغرق في القاع.
خزان نقطة الفائض
ومع ذلك ، يمكن أن تكون مثل هذه الخاصية الموسعة خطيرة. على سبيل المثال ، يمكن أن تنفجر محركات السيارات ومضخات المياه إذا تجمد الماء فيها. لتجنب ذلك ، يتم إضافة مواد مضافة إلى الماء لمنعه من التجمد. غالبًا ما تستخدم الجليكولات في أنظمة التدفئة ؛ انظر مواصفات الشركة المصنعة للمياه لنسبة الجليكول.
خصائص الماء المغلي
إذا تم تسخين الماء في وعاء مفتوح ، فسوف يغلي عند 100 درجة مئوية. إذا قمت بقياس درجة حرارة الماء المغلي ، يتبين أنه يظل عند 100 درجة مئوية حتى تتبخر آخر قطرة. وبالتالي ، يتم استخدام الاستهلاك المستمر للحرارة من أجل التبخر الكامل للمياه ، أي لتغيير حالة التجميع.
تسمى هذه الطاقة أيضًا بالحرارة الكامنة (الكامنة). إذا استمرت الحرارة في التدفق ، سترتفع درجة حرارة البخار المتولد مرة أخرى.
يتم إعطاء العملية الموصوفة عند ضغط هواء 101.3 كيلو باسكال عند سطح الماء. عند أي ضغط هواء آخر ، تنتقل نقطة غليان الماء من 100 درجة مئوية.
إذا كررنا التجربة الموصوفة على ارتفاع 3000 متر - على سبيل المثال ، في Zugspitze ، أعلى قمة في ألمانيا - فسنجد أن الماء يغلي بالفعل عند 90 درجة مئوية. سبب هذا السلوك هو انخفاض الضغط الجوي مع الارتفاع.
كلما انخفض الضغط على سطح الماء ، انخفضت نقطة الغليان. على العكس من ذلك ، ستكون نقطة الغليان أعلى مع زيادة الضغط على سطح الماء. تُستخدم هذه الخاصية ، على سبيل المثال ، في طناجر الضغط.
يوضح الرسم البياني اعتماد درجة غليان الماء على الضغط. يتم ضغط أنظمة التدفئة عمدا. يساعد هذا في منع تكون فقاعات الغاز أثناء ظروف التشغيل الحرجة ، كما يمنع الهواء الخارجي من دخول النظام.
تمدد الماء عند تسخينه وحماية من الضغط الزائد
تعمل أنظمة تسخين الماء الساخن في درجات حرارة مياه تصل إلى 90 درجة مئوية. عادةً ما يتم ملء النظام بالماء عند درجة حرارة 15 درجة مئوية ، ثم يتمدد عند تسخينه. يجب عدم السماح لهذه الزيادة في الحجم أن تؤدي إلى زيادة الضغط والفيضان.
عندما يتم إيقاف التدفئة في الصيف ، يعود حجم الماء إلى قيمته الأصلية. لذلك ، يجب تركيب خزان كبير بما يكفي لضمان تمدد الماء دون عوائق.
أنظمة التدفئة القديمة بها خزانات تمدد مفتوحة. كانوا دائمًا موجودين فوق أعلى جزء من خط الأنابيب. عندما زادت درجة الحرارة في النظام ، مما أدى إلى تمدد الماء ، زاد المستوى في الخزان أيضًا. مع انخفاض درجة الحرارة ، انخفض في المقابل.
تستخدم أنظمة التدفئة الحديثة خزانات غشائية (MRB). عندما يرتفع الضغط في النظام ، يجب عدم السماح للضغط في خطوط الأنابيب وعناصر النظام الأخرى بالارتفاع فوق القيمة الحدية.
لذلك ، يعد صمام الأمان شرطًا أساسيًا لكل نظام تدفئة.
عندما يرتفع الضغط فوق المعدل الطبيعي ، يجب أن يفتح صمام الأمان وينزف الحجم الزائد من الماء الذي لا يستطيع خزان التمدد استيعابها. ومع ذلك ، في نظام مصمم بعناية وصيانته ، يجب ألا تحدث هذه الحالة الحرجة أبدًا.
كل هذا المنطق لا يأخذ في الاعتبار حقيقة أن مضخة الدوران تزيد الضغط في النظام. يجب تحديد العلاقة بين درجة حرارة الماء القصوى المحددة بواسطة المضخة ، وحجم وعاء التمدد وضغط فتح صمام الأمان بعناية. الاختيار العشوائي لعناصر النظام - حتى على أساس تكلفتها - غير مقبول في هذه الحالة.
يتم تزويد وعاء توسيع الحجاب الحاجز بالنيتروجين. يجب ضبط الضغط الأولي في وعاء توسيع الحجاب الحاجز اعتمادًا على نظام التسخين. يدخل الماء المتوسع من نظام التسخين إلى الخزان ويضغط غرفة الغاز من خلال الحجاب الحاجز. يمكن ضغط الغازات ، لكن لا يمكن ضغط السوائل.
الضغط
تحديد الضغط
الضغط هو الضغط الساكن للسوائل والغازات ، ويقاس في الأوعية وخطوط الأنابيب بالنسبة للضغط الجوي (Pa ، mbar ، bar).
الضغط الساكن
الضغط الساكن هو ضغط سائل ثابت.
الضغط الساكن \u003d المستوى أعلى من نقطة القياس المقابلة + الضغط الأولي في وعاء التمدد.
الضغط الديناميكي
الضغط الديناميكي هو ضغط تيار متحرك من السوائل. ضغط تفريغ المضخة هو الضغط عند مخرج مضخة الطرد المركزي أثناء التشغيل.
هبوط الضغط
الضغط الناتج عن مضخة طرد مركزي للتغلب على المقاومة الكلية للنظام. يتم قياسه بين مدخل ومخرج مضخة طرد مركزي.
ضغط التشغيل
الضغط الموجود في النظام عند تشغيل المضخة. ضغط العمل المسموح به أقصى قيمة لضغط العمل المسموح به من شروط سلامة المضخة والنظام.
التجويف
التجويف - هذا هو تكوين فقاعات غازية نتيجة ظهور ضغط موضعي تحت ضغط تبخير السائل الذي يتم ضخه عند مدخل المكره. هذا يؤدي إلى انخفاض في الأداء (الرأس) والكفاءة ويسبب الضوضاء وتدمير المواد للأجزاء الداخلية للمضخة. بسبب انهيار فقاعات الهواء في المناطق ذات الضغط العالي (على سبيل المثال ، عند مخرج الدافع) ، تسبب الانفجارات المجهرية ارتفاعًا في الضغط يمكن أن يؤدي إلى إتلاف أو تدمير النظام الهيدروليكي. أول علامة على ذلك هي ضوضاء المروحة والتآكل.
معلمة مهمة لمضخة الطرد المركزي هي NPSH (رأس السائل فوق منفذ شفط المضخة). يحدد الحد الأدنى لضغط مدخل المضخة الذي يتطلبه نوع مضخة معين للعمل بدون تجويف ، أي الضغط الإضافي المطلوب لمنع تكون الفقاعات. تتأثر قيمة NPSH بنوع المكره وسرعة المضخة. العوامل الخارجية التي تؤثر على هذه المعلمة هي درجة حرارة السائل والضغط الجوي.
منع التجويف
لتجنب التجويف ، يجب أن يدخل السائل إلى مدخل مضخة الطرد المركزي عند حد أدنى معين لرفع الشفط ، والذي يعتمد على درجة الحرارة والضغط الجوي.
طرق أخرى لمنع التجويف هي:
ارتفاع الضغط الساكن
خفض درجة حرارة السائل (خفض ضغط البخار PD)
اختيار مضخة ذات ضغط رأس ثابت منخفض (الحد الأدنى لرأس الشفط ، NPSH)
سيسعد متخصصو Agrovodkom بمساعدتك في اتخاذ قرار بشأن اختيار المضخة الأمثل. اتصل بنا!
|
الكسندر
2013-10-22 09:38:26
[للرد] [رد باقتباس] [إلغاء الرد]
|
طرح الفيزيائي الياباني ماساكازو ماتسوموتو نظرية تشرح سبب تقلص الماء عند تسخينه من 0 إلى 4 درجات مئوية ، بدلاً من التمدد. وفقًا لنموذجه ، يحتوي الماء على تكوينات دقيقة - "vitrites" ، وهي عبارة عن أشكال متعددة السطوح مجوفة محدبة ، في قمتها جزيئات الماء ، وتعمل الروابط الهيدروجينية كحواف. مع ارتفاع درجة الحرارة ، تتنافس ظاهرتان مع بعضهما البعض: إطالة الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء وتشوه الفيتريت ، مما يؤدي إلى انخفاض في تجاويفها. في نطاق درجة الحرارة من 0 إلى 3.98 درجة مئوية ، تهيمن الظاهرة الأخيرة على تأثير إطالة الروابط الهيدروجينية ، مما يؤدي في النهاية إلى الضغط الملحوظ للماء. لا يوجد حتى الآن تأكيد تجريبي لنموذج ماتسوموتو - ومع ذلك ، بالإضافة إلى نظريات أخرى تشرح ضغط الماء.
على عكس الغالبية العظمى من المواد ، عند تسخينه ، يكون الماء قادرًا على تقليل حجمه (الشكل 1) ، أي أن له معامل التمدد الحراري السلبي. ومع ذلك ، فإننا لا نتحدث عن نطاق درجة الحرارة بالكامل حيث يوجد الماء في حالة سائلة ، ولكن فقط عن منطقة ضيقة - من 0 درجة مئوية إلى حوالي 4 درجات مئوية. في درجات حرارة عالية ، يتمدد الماء ، مثل المواد الأخرى.
بالمناسبة ، الماء ليس المادة الوحيدة التي لها خاصية الانكماش مع زيادة درجة الحرارة (أو التمدد عند التبريد). البزموت والغاليوم والسيليكون والأنتيمون يمكن أن "يتباهى" بسلوك مماثل. ومع ذلك ، نظرًا لبنيتها الداخلية الأكثر تعقيدًا ، فضلاً عن انتشارها وأهميتها في العمليات المختلفة ، فإن المياه هي التي تجذب انتباه العلماء (انظر دراسة بنية المياه مستمرة ، "العناصر" ، 09.10.2006).
منذ بعض الوقت ، كانت النظرية المقبولة عمومًا التي تجيب على سؤال لماذا يزيد الماء من حجمه مع انخفاض درجة الحرارة (الشكل 1) نموذجًا لمزيج مكون من عنصرين - "عادي" و "شبيه بالجليد". تم اقتراح هذه النظرية لأول مرة في القرن التاسع عشر من قبل هارولد وايتنج وتم تطويرها وصقلها لاحقًا من قبل العديد من العلماء. في الآونة الأخيرة ، في إطار تعدد أشكال الماء المكتشف ، أعيد النظر في نظرية وايتنج. من الآن فصاعدًا ، يُعتقد أن هناك نوعين من النطاقات النانوية الشبيهة بالجليد في المياه فائقة التبريد: مناطق تشبه الجليد غير المتبلور عالي الكثافة ومنخفض الكثافة. يؤدي تسخين المياه فائقة البرودة إلى ذوبان هذه الهياكل النانوية وظهور نوعين من الماء: بكثافة أعلى وأقل. تولد المنافسة الصعبة في درجة الحرارة بين "نوعي" الماء الناتج اعتمادًا غير رتيب للكثافة على درجة الحرارة. ومع ذلك ، لم يتم تأكيد هذه النظرية تجريبيا.
عليك أن تكون حذرا مع هذا التفسير. ليس من قبيل المصادفة أن يتم التحدث هنا فقط عن الهياكل التي تشبه الجليد غير المتبلور. النقطة المهمة هي أن المناطق النانوية للجليد غير المتبلور ونظائرها العيانية لها معايير فيزيائية مختلفة.
قرر الفيزيائي الياباني ماساكازو ماتسوموتو إيجاد تفسير للتأثير الذي تمت مناقشته هنا من الصفر ، متجاهلًا نظرية الخليط المكون من عنصرين. باستخدام المحاكاة الحاسوبية ، قام بفحص الخصائص الفيزيائية للماء على نطاق واسع من درجات الحرارة - من 200 إلى 360 كلفن عند ضغط صفر ، من أجل معرفة الأسباب الحقيقية لتمدد الماء عندما يبرد على نطاق جزيئي. مقالته في رسائل المراجعة الفيزيائية بعنوان لماذا يتمدد الماء عندما يبرد؟ ("لماذا يتمدد الماء عندما يبرد؟").
في البداية طرح كاتب المقال السؤال التالي: ما الذي يؤثر على معامل التمدد الحراري للماء؟ يعتقد ماتسوموتو أن هذا يكفي لتوضيح تأثير ثلاثة عوامل فقط: 1) التغيرات في طول الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء ، 2) المؤشر الطوبولوجي - عدد الروابط لكل جزيء ماء ، و 3) انحراف الزاوية بين الروابط عن قيمة التوازن (التشوه الزاوي).
الشكل: 2. من الأنسب أن تتحد جزيئات الماء في مجموعات بزاوية بين روابط هيدروجينية تساوي 109.47 درجة. تسمى هذه الزاوية رباعي السطوح لأنها الزاوية التي تربط مركز رباعي الوجوه المنتظم ورؤوسه. الرسم من موقع lsbu.ac.uk
قبل الحديث عن النتائج التي حصل عليها الفيزيائي الياباني ، دعونا نقدم ملاحظات وتوضيحات مهمة حول العوامل الثلاثة المذكورة أعلاه. بادئ ذي بدء ، الصيغة الكيميائية المعتادة للماء H 2 O تتوافق فقط مع حالته البخارية. في شكل سائل ، تتحد جزيئات الماء بواسطة روابط هيدروجينية في مجموعات (H 2 O) x ، حيث x هو عدد الجزيئات. التركيبة الأكثر ملاءمة من خمسة جزيئات ماء (س \u003d 5) مع أربعة روابط هيدروجينية ، حيث تشكل الروابط توازنًا ، ما يسمى بزاوية التتراهدرا ، تساوي 109.47 درجة (انظر الشكل 2).
بعد تحليل اعتماد طول الرابطة الهيدروجينية بين جزيئات الماء على درجة الحرارة ، توصل ماتسوموتو إلى النتيجة المتوقعة: تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى إطالة خطية للروابط الهيدروجينية. وهذا بدوره يؤدي إلى زيادة حجم الماء ، أي إلى تمدده. هذه الحقيقة تتعارض مع النتائج المرصودة ، وبالتالي ، فقد اعتبر تأثير العامل الثاني. كيف يعتمد معامل التمدد الحراري على المؤشر الطوبولوجي؟
أعطت محاكاة الكمبيوتر النتيجة التالية. في درجات الحرارة المنخفضة ، تشغل التجمعات المائية أكبر حجم من الماء من حيث النسبة المئوية ، حيث يوجد 4 روابط هيدروجينية لكل جزيء (المؤشر الطوبولوجي هو 4). تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى انخفاض في عدد العناصر المرتبطة بالمؤشر 4 ، ولكن في نفس الوقت ، يبدأ عدد المجموعات ذات المؤشرات 3 و 5 في الزيادة. بعد إجراء الحسابات العددية ، وجد ماتسوموتو أن الحجم المحلي للعناقيد ذات المؤشر الطوبولوجي 4 لا يتغير عمليًا مع زيادة درجة الحرارة ، والتغير في الحجم الإجمالي للشركاء مع المؤشرات 3 و 5 في أي درجة حرارة يعوض كل منهما الآخر. وبالتالي ، فإن التغيير في درجة الحرارة لا يغير الحجم الكلي للماء ، مما يعني أن المؤشر الطوبولوجي ليس له أي تأثير على ضغط الماء عند تسخينه.
يبقى توضيح تأثير التشويه الزاوي للروابط الهيدروجينية. وهنا يبدأ الشيء الأكثر إثارة للاهتمام والأكثر أهمية. كما ذكرنا أعلاه ، تميل جزيئات الماء إلى الاتحاد بحيث تكون الزاوية بين روابط الهيدروجين رباعي السطوح. ومع ذلك ، فإن الاهتزازات الحرارية لجزيئات الماء والتفاعلات مع الجزيئات الأخرى غير المدرجة في الكتلة تمنعهم من القيام بذلك ، مما يؤدي إلى انحراف قيمة زاوية رابطة الهيدروجين عن قيمة التوازن 109.47 درجة. لتوصيف عملية التشوه الزاوي هذه كميًا بطريقة ما ، افترض ماتسوموتو وزملاؤه ، استنادًا إلى عملهم السابق ، اللبنات الطوبولوجية لشبكة الروابط الهيدروجينية في الماء ، التي نُشرت في عام 2007 في مجلة الفيزياء الكيميائية ، وجود تراكيب مجهرية ثلاثية الأبعاد في الماء ، تذكرنا. متعدد السطوح مجوفة محدبة. في وقت لاحق ، في المنشورات اللاحقة ، أطلقوا على هذه الهياكل المجهرية vitrites (الشكل 3). في نفوسهم ، تكون الرؤوس عبارة عن جزيئات ماء ، ويتم لعب دور الحواف بواسطة روابط هيدروجينية ، والزاوية بين روابط الهيدروجين هي الزاوية بين الحواف في فيتريت.
وفقًا لنظرية ماتسوموتو ، هناك مجموعة كبيرة ومتنوعة من أشكال الفيتريت ، والتي ، مثل عناصر الفسيفساء ، تشكل جزءًا كبيرًا من بنية الماء والتي تملأ حجمها بالكامل في نفس الوقت بالتساوي.
الشكل: 3. ستة فيتريتات نموذجية تشكل البنية الداخلية للماء. تتوافق الكرات مع جزيئات الماء ، وتمثل الأجزاء الموجودة بين الكرات روابط هيدروجينية. يفي الفيتريت بنظرية أويلر المعروفة عن polytopes: العدد الإجمالي للرؤوس والوجوه مطروحًا منه عدد الأضلاع هو 2. وهذا يعني أن فيتريتات هي متعددة الوجوه محدبة. يمكن الاطلاع على أنواع أخرى من الفيتريت على vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. الشكل: من مقال Masakazu Matsumoto و Akinori Baba و Iwao Ohminea Network Motif of Water ، المنشور في AIP Conf. بروك.
تميل جزيئات الماء إلى تكوين زوايا رباعية السطوح في فيتريت ، حيث يجب أن يكون للزيتريت أقل طاقة ممكنة. ومع ذلك ، نظرًا للحركات الحرارية والتفاعلات الموضعية مع فيتريتات أخرى ، فإن بعض الهياكل الدقيقة لا تحتوي على هندسة بزوايا رباعية السطوح (أو زوايا قريبة من هذه القيمة). إنهم يقبلون مثل هذه التكوينات غير المتوازنة من الناحية الهيكلية (والتي ليست الأكثر ملاءمة لهم من وجهة النظر النشطة) ، والتي تسمح لـ "عائلة" فيتريتس ككل بتلقي أقل قيمة طاقة ممكنة. مثل هذه الزجاجات ، أي فيتريتس التي ، إذا جاز التعبير ، تضحي بأنفسها من أجل "مصالح الطاقة المشتركة" تسمى بالإحباط. إذا كان vitrits غير المحبط يحتوي على أقصى حجم تجويف عند درجة حرارة معينة ، فإن vitrits المحبط ، على العكس من ذلك ، يكون له أقل حجم ممكن.
أظهرت عمليات المحاكاة الحاسوبية التي أجراها ماتسوموتو أن متوسط \u200b\u200bحجم تجاويف الفيتريت يتناقص خطيًا مع زيادة درجة الحرارة. في الوقت نفسه ، يقلل الفيتريت المحبط من حجمه بشكل كبير ، في حين أن حجم تجويف فيتريت غير المحبط يظل دون تغيير تقريبًا.
لذلك ، فإن ضغط الماء مع ارتفاع درجة الحرارة ناتج عن تأثيرين متنافسين - إطالة الروابط الهيدروجينية ، مما يؤدي إلى زيادة حجم الماء ، وانخفاض حجم تجاويف الفيتريت المحبط. في نطاق درجة الحرارة من 0 إلى 4 درجات مئوية ، تسود الظاهرة الأخيرة ، كما يتضح من الحسابات ، والتي تؤدي في النهاية إلى ضغط الماء الملحوظ مع زيادة درجة الحرارة.
يبقى انتظار التأكيد التجريبي لوجود فيتريت وسلوكهم. لكن هذه ، للأسف ، مهمة صعبة للغاية.
هل تتوسع أم تنكمش؟ الجواب كالتالي: مع قدوم الشتاء يبدأ الماء في التوسع. لماذا يحدث هذا؟ هذه الخاصية تجعل الماء يبرز من قائمة جميع السوائل والغازات الأخرى ، والتي ، على العكس من ذلك ، يتم ضغطها عند تبريدها. ما سبب هذا السلوك السائل غير العادي؟
الفيزياء للصف الثالث: هل يتمدد الماء أو ينكمش عندما يتجمد؟
تتمدد معظم المواد والمواد عند تسخينها وتتقلص عند تبريدها. تظهر الغازات هذا التأثير بشكل أكثر وضوحًا ، لكن السوائل المختلفة والمعادن الصلبة تظهر نفس الخصائص.
يعد الهواء في البالون من أكثر الأمثلة المدهشة على تمدد وانكماش الغاز. عندما نأخذ بالونًا إلى الخارج في طقس دون الصفر ، يتناقص حجم البالون على الفور. إذا أحضرنا الكرة إلى غرفة ساخنة ، فستزيد على الفور. لكن إذا أدخلنا بالونًا في الحمام ، فسوف ينفجر.
تتطلب جزيئات الماء مساحة أكبر
السبب في حدوث عمليات التمدد والتقلص هذه للمواد المختلفة هو الجزيئات. تلك التي تتلقى المزيد من الطاقة (يحدث هذا في غرفة دافئة) تتحرك أسرع بكثير من الجزيئات في غرفة باردة. تتصادم الجسيمات التي تحتوي على طاقة أكبر بشكل أكثر نشاطًا وفي كثير من الأحيان ، فإنها تحتاج إلى مساحة أكبر للتحرك. من أجل احتواء الضغط الذي تمارسه الجزيئات ، تبدأ المادة في النمو في الحجم. علاوة على ذلك ، هذا يحدث بسرعة كبيرة. إذن ، هل يتمدد الماء أو ينكمش عندما يتجمد؟ لماذا يحدث هذا؟
الماء لا يخضع لهذه القواعد. إذا بدأنا في تبريد الماء إلى أربع درجات مئوية ، فسيتم تقليل حجمه. ولكن إذا استمرت درجة الحرارة في الانخفاض ، يبدأ الماء فجأة في التوسع! هناك خاصية مثل شذوذ كثافة الماء. تحدث هذه الخاصية عند درجة حرارة أربع درجات مئوية.
الآن بعد أن اكتشفنا ما إذا كان الماء يتوسع أو يتقلص عندما يتجمد ، فلنكتشف كيف يحدث هذا الشذوذ بالفعل. السبب يكمن في الجسيمات التي يتكون منها. يتكون جزيء الماء من ذرتين هيدروجين وأكسجين. يعرف الجميع تركيبة الماء منذ المدرسة الابتدائية. الذرات في هذا الجزيء تجذب الإلكترونات بطرق مختلفة. يخلق الهيدروجين مركز ثقل إيجابيًا ، بينما الأكسجين ، على العكس من ذلك ، له مركز ثقل سلبي. عندما تتصادم جزيئات الماء مع بعضها ، يتم نقل ذرات الهيدروجين لجزيء واحد إلى ذرة الأكسجين لجزيء مختلف تمامًا. هذه الظاهرة تسمى الترابط الهيدروجيني.
يحتاج الماء إلى مساحة أكبر عندما يبرد
في اللحظة التي تبدأ فيها عملية تكوين الروابط الهيدروجينية ، تبدأ الأماكن في الظهور في الماء حيث تكون الجزيئات في نفس الترتيب كما في بلورة الجليد. تسمى هذه الفراغات المجموعات. فهي ليست قوية كما هو الحال في بلورة صلبة من الماء. عندما ترتفع درجة الحرارة ، تتفكك وتغير موقعها.
أثناء العملية ، يبدأ عدد الكتل في السائل في الزيادة بسرعة. تتطلب مساحة أكبر للانتشار ، مما يؤدي إلى زيادة حجم الماء بعد وصوله إلى كثافته غير الطبيعية.
عندما ينخفض \u200b\u200bمقياس الحرارة إلى ما دون الصفر ، تبدأ المجموعات في التحول إلى بلورات جليدية صغيرة. يبدأون في الصعود. نتيجة كل هذا ، يتحول الماء إلى جليد. هذه قدرة غير عادية للماء. هذه الظاهرة ضرورية لعدد كبير جدًا من العمليات في الطبيعة. نعلم جميعًا ، وإذا كنا لا نعرف ، فإننا نتذكر أن كثافة الجليد أقل قليلاً من كثافة الماء البارد أو البارد. هذا يسمح للجليد بالطفو على سطح الماء. تبدأ جميع الخزانات في التجمد من أعلى إلى أسفل ، مما يسمح لسكان الأحياء المائية بالعيش في سلام وعدم التجميد في القاع. لذلك ، نحن نعرف الآن بالتفصيل ما إذا كان الماء يتوسع أو يتقلص عندما يتجمد.
يتجمد الماء الساخن أسرع من الماء البارد. إذا أخذنا كأسين متطابقين وصبنا الماء الساخن في أحدهما ، ونفس الكمية من الماء البارد في الآخر ، فسنلاحظ أن الماء الساخن يتجمد أسرع من الماء البارد. هذا ليس منطقيا ، توافق؟ يحتاج الماء الساخن إلى البرودة حتى يتجمد ، لكن الماء البارد لا يحتاج إلى ذلك. كيف نفسر هذه الحقيقة؟ لا يستطيع العلماء حتى يومنا هذا تفسير هذا اللغز. هذه الظاهرة تسمى "تأثير مبيمبا". تم اكتشافه في عام 1963 من قبل عالم من تنزانيا في ظل مجموعة غير عادية من الظروف. أراد طالب أن يصنع لنفسه آيس كريم ولاحظ أن الماء الساخن يتجمد بشكل أسرع. شارك هذا مع مدرس الفيزياء ، الذي لم يصدقه في البداية.
إلى السؤال لماذا يتمدد الماء في الحجم أثناء التبريد ، عندما تنكمش المواد الأخرى أثناء التبريد؟ قدمها المؤلف بافل أنوفرييف أفضل إجابة هي أثناء التبريد ، يتصرف الماء في البداية مثل العديد من المركبات الأخرى: فهو يصبح أكثر كثافة تدريجياً ويقلل من حجمه المحدد. ولكن عند 4 درجات مئوية (بتعبير أدق ، عند 3.98 درجة مئوية) ، تحدث حالة أزمة - إعادة ترتيب هيكلي ، ومع مزيد من الانخفاض في درجة الحرارة ، لم يعد حجم الماء يتناقص ، بل يزداد. عندما يتم تبريده في ظل ظروف عادية أقل من 0 درجة مئوية ، يتبلور الماء مكونًا ثلجًا ، تكون كثافته أقل ، ويكون الحجم أكبر بنسبة 10٪ تقريبًا من حجم الماء الأصلي.
تفسر الزيادة في الحجم بحقيقة أن كل جزيء في بنية الجليد مرتبط بأربعة جزيئات أخرى. نتيجة لذلك ، يتم تكوين بنية مفتوحة مع "تجاويف" بين جزيئات الماء الثابتة في المرحلة الجليدية ، مما يؤدي إلى تمدد كبير في الكتلة المجمدة بأكملها. يشبه التركيب البلوري للجليد هيكل الماس: كل جزيء H2O محاط بأربعة جزيئات الأقرب إليه تشارك في تكوين رابطة هيدروجينية ويقع على مسافات متساوية منه ، تساوي 2.76 أنجستروم ويقع عند رؤوس رباعي السطوح العادي بزوايا تساوي 109 ° 28 "( نظرًا لانخفاض رقم التنسيق ، يكون هيكل الجليد شبكيًا ، مما يؤثر على كثافته المنخفضة ، ويؤدي الهيكل المخرم للجليد إلى حقيقة أن كثافته ، التي تساوي 916.7 كجم / متر مكعب عند 0 درجة مئوية ، أقل من كثافة الماء ( 999.8 كجم / م 3) بنفس درجة الحرارة.
لذلك ، يتحول الماء إلى جليد ، ويزيد حجمه بنحو 9٪:
في عملية الذوبان ، عند درجة حرارة 0 درجة مئوية ، يفقد حوالي 10-15٪ من الماء روابطه بالمركبات ، ونتيجة لذلك ، تزداد حركة بعض الجزيئات ، وتغرق في تلك التجاويف الغنية ببنية الجليد المفتوحة. وهذا يفسر انضغاط الجليد أثناء الانصهار وزيادة كثافة الماء الناتج والتي تزيد بنحو 10٪. يمكن الافتراض أن هذه القيمة تميز بطريقة معينة عدد جزيئات الماء المحاصرة في التجويف. تصل كثافة الماء المتشكل إلى حد أقصى عند درجة حرارة 4 درجات مئوية ، ومع زيادة أخرى في درجة الحرارة ، فإن التمدد المنتظم للماء المرتبط بزيادة في الحركة الجزيئية يتجاوز تأثير إعادة الترتيب الهيكلي "الماء المثلج" ، وتبدأ كثافة الماء في الانخفاض تدريجيًا.
إجابة من 2 إجابة[خبير]
مرحبا! فيما يلي مجموعة مختارة من الموضوعات مع إجابات على سؤالك: لماذا يتمدد الماء في الحجم أثناء التبريد ، عندما تنكمش المواد الأخرى أثناء التبريد؟
إجابة من الغرينية[مبتدئ]
لا يتمدد الماء عند تبريده. فقط بعد أن يصلب الماء ويصبح جليدًا ، فقط بعد ذلك سيزداد حجمه ، بسبب زيادة المسافة بين جزيئات الماء.
إجابة من مايك تياروف[خبير]
يتم ضغط الماء أيضًا ... طرح السؤال بشكل غير صحيح. ... يتقلص الماء إلى -4 درجات ، ثم يتوسع ... هذا يسمى انتقال الطور ، وخلال هذه التحولات ، تتصرف المواد بطرق لا يمكن تصورها تمامًا ... عند تسخينه إلى 100 درجة ، يحدث التمدد ، ولا يتم اكتساب درجة حرارة أعلى ، ولكن يحدث الانتقال إلى البخار - أيضًا مرحلة انتقالية ... تكتسب الروابط بين الجزيئات خواصًا أخرى - يبدأ التبلور في الماء ...
