Apa yang dilakukan air saat mendingin. Apa yang terjadi pada air saat memanas
Kita dikelilingi oleh air, dengan sendirinya, dalam komposisi zat dan badan lain. Bisa padat, cair atau gas, tapi air selalu ada di sekitar kita. Mengapa aspal retak di jalan, mengapa sebotol kaca pecah dalam cuaca dingin, mengapa jendela berkabut di musim dingin, mengapa pesawat meninggalkan jejak putih di langit - kita akan mencari jawaban untuk semua ini dan "mengapa" lainnya dalam pelajaran ini. Kita akan mempelajari bagaimana sifat-sifat air berubah ketika dipanaskan, didinginkan dan dibekukan, bagaimana gua bawah tanah dan sosok aneh terbentuk di dalamnya, bagaimana termometer bekerja.
Tema: Alam yang tidak hidup
Pelajaran: Sifat Air Cair
Dalam bentuknya yang murni, air tidak memiliki rasa, bau, atau warna, tetapi hampir tidak pernah terjadi seperti ini, karena ia secara aktif melarutkan sebagian besar zat di dalamnya dan bergabung dengan partikelnya. Selain itu, air dapat menembus ke dalam berbagai tubuh (para ilmuwan telah menemukan air bahkan di dalam batu).
Jika Anda memasukkan air keran ke dalam gelas, maka akan terlihat bersih. Namun nyatanya, ini adalah larutan dari banyak zat, di antaranya ada gas (oksigen, argon, nitrogen, karbondioksida), berbagai kotoran di udara, garam terlarut dari tanah, besi dari pipa air, partikel debu tak terlarut terkecil, dll.
Jika Anda memipet setetes air keran ke kaca bersih dan membiarkannya menguap, noda halus akan tetap ada.
Air sungai dan sungai, kebanyakan danau mengandung berbagai kotoran, misalnya garam terlarut. Tapi jumlahnya sedikit, karena air ini segar.
Air mengalir di darat dan di bawah tanah, mengisi sungai, danau, sungai, laut dan samudra, menciptakan istana bawah tanah.
Menerobos zat-zat yang mudah larut, air menembus jauh ke dalam tanah, membawanya bersamanya, dan melalui retakan dan retakan di bebatuan, membentuk gua bawah tanah, menetes dari lengkungannya, menciptakan pahatan-pahatan aneh. Miliaran tetesan air menguap selama ratusan tahun, dan zat terlarut dalam air (garam, batugamping) mengendap di lengkungan gua, membentuk es batu yang disebut stalaktit.
Formasi serupa di lantai gua disebut stalagmit.
Dan bila stalaktit dan stalagmit tumbuh bersama membentuk kolom batu, maka disebut stalagnat.
Mengamati aliran es di sungai, kita melihat air dalam bentuk padat (es dan salju), cair (mengalir di bawah) dan gas (partikel air terkecil yang naik ke udara, yang juga disebut uap air).
Air dapat secara bersamaan berada di ketiga kondisi: selalu ada uap air di udara dan awan, yang terdiri dari tetesan air dan kristal es.
Uap air tidak terlihat, tetapi dapat dengan mudah dideteksi jika Anda membiarkan segelas air didinginkan di lemari es selama satu jam di ruangan yang hangat, di dindingnya tetesan air segera muncul. Saat bersentuhan dengan dinding kaca yang dingin, uap air yang terkandung di udara diubah menjadi tetesan air dan mengendap di permukaan kaca.
Angka: 11. Kondensasi di dinding kaca dingin ()
Untuk alasan yang sama, bagian dalam kaca jendela berkabut selama musim dingin. Udara dingin tidak dapat mengandung uap air sebanyak udara hangat, sehingga sebagian mengembun - berubah menjadi tetesan air.
Jejak putih di belakang pesawat yang terbang di angkasa juga merupakan hasil kondensasi air.
Jika Anda membawa cermin ke bibir dan menghembuskan napas, tetesan air terkecil akan tetap ada di permukaannya, ini membuktikan bahwa saat bernapas, seseorang menghirup uap air dengan udara.
Saat dipanaskan, airnya "mengembang". Hal ini dapat dibuktikan dengan percobaan sederhana: tabung gelas diturunkan ke dalam labu berisi air dan ketinggian air di dalamnya diukur; kemudian labu diturunkan ke dalam bejana dengan air hangat, dan setelah memanaskan air, ketinggian dalam tabung diukur kembali, yang naik secara nyata, karena volume air meningkat saat dipanaskan.
Angka: 14. Labu dengan tabung, nomor 1 dan tanda garis menunjukkan ketinggian air awal
Angka: 15. Labu dengan tabung, nomor 2 dan garis menunjukkan ketinggian air saat dipanaskan
Saat didinginkan, air "dikompresi". Hal ini dapat dibuktikan dengan percobaan serupa: dalam hal ini labu yang berisi tabung diturunkan ke dalam bejana berisi es; setelah pendinginan, permukaan air dalam tabung tersebut turun relatif terhadap tanda awal, karena volume air menurun.
Angka: 16. Labu dengan tabung, nomor 3 dan tanda garis menunjukkan ketinggian air saat pendinginan
Ini terjadi karena partikel air, molekul, ketika dipanaskan, bergerak lebih cepat, bertabrakan satu sama lain, menolak dari dinding bejana, jarak antar molekul meningkat, dan oleh karena itu cairan mengambil volume yang lebih besar. Saat air didinginkan, pergerakan partikelnya melambat, jarak antar molekul berkurang, dan cairan membutuhkan volume yang lebih kecil.
Angka: 17. Molekul air dengan suhu biasa
Angka: 18. Molekul air saat dipanaskan
Angka: 19. Molekul air saat didinginkan
Sifat-sifat ini tidak hanya dimiliki oleh air, tetapi juga oleh cairan lain (alkohol, merkuri, bensin, minyak tanah).
Pengetahuan tentang sifat cairan ini mengarah pada penemuan termometer (termometer), yang menggunakan alkohol atau merkuri.
Saat membeku, air mengembang. Hal ini dapat dibuktikan jika sebuah wadah yang diisi air sampai penuh, ditutup secara longgar dengan penutup dan ditempatkan di dalam freezer, setelah beberapa saat kita akan melihat bahwa es yang terbentuk akan mengangkat tutupnya keluar dari wadah.
Properti ini diperhitungkan saat memasang pipa air, yang harus diisolasi agar es yang terbentuk dari air tidak merusak pipa saat membeku.
Di alam, air yang membekukan dapat menghancurkan pegunungan: jika air menumpuk di celah-celah bebatuan di musim gugur, air membeku di musim dingin, dan di bawah tekanan es, yang menempati volume yang lebih besar daripada air yang membentuknya, bebatuan akan retak dan runtuh.
Pembekuan air di celah-celah jalan menyebabkan rusaknya trotoar aspal.
Bubungan panjang yang menyerupai lipatan pada batang pohon merupakan luka akibat kayu patah akibat tekanan pembekuan getah pohon di dalamnya. Oleh karena itu, di musim dingin yang dingin, Anda dapat mendengar derak pohon di taman atau di hutan.
- Vakhrushev A.A., Danilov D.D. Dunia di sekitar kita 3. M .: Ballas.
- Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Dunia di sekitar kita 3. M .: Penerbit "Fedorov".
- Pleshakov A.A. Dunia sekitarnya 3. M .: Pendidikan.
- Festival Ide Pedagogis ().
- Sains dan pendidikan ().
- Kelas umum ().
- Buatlah tes singkat (4 pertanyaan dengan 3 kemungkinan jawaban) pada topik "Air di sekitar kita".
- Cobalah eksperimen kecil: taruh segelas air yang sangat dingin di atas meja di ruangan yang hangat. Jelaskan apa yang akan terjadi, jelaskan mengapa.
- * Gambarkan pergerakan molekul air dalam keadaan panas, normal dan dingin. Jika perlu, beri label pada gambar Anda.
Dalam sistem pemanas air panas, air digunakan untuk mentransfer panas dari generatornya ke konsumen.
Sifat terpenting air adalah:
kapasitas panas;
perubahan volume saat dipanaskan dan didinginkan;
karakteristik mendidih dengan perubahan tekanan eksternal;
kavitasi.
Pertimbangkan sifat fisik air berikut ini.
Panas spesifik
Properti penting dari setiap pembawa panas adalah kapasitas panasnya. Jika kita menyatakannya dalam massa dan perbedaan suhu pendingin, kita mendapatkan kapasitas panas spesifik. Itu ditunjukkan dengan surat itu c dan memiliki dimensi kJ / (kg K)
Panas spesifik adalah jumlah panas yang harus ditransfer ke 1 kg zat (misalnya, air) untuk memanaskannya sebesar 1 ° C. Sebaliknya, suatu zat melepaskan jumlah energi yang sama saat didinginkan. Nilai rata-rata kalor jenis air dalam kisaran antara 0 ° C sampai 100 ° C adalah:
c \u003d 4,19 kJ / (kg K) atau c \u003d 1,16 Wh / (kg K)
Jumlah panas yang diserap atau dihasilkan Qdiekspresikan dalam J atau kj, tergantung massanya mdiekspresikan dalam kg, panas jenis c dan perbedaan suhu dinyatakan dalam K.
Menambah dan mengurangi volume
Semua bahan alami mengembang saat dipanaskan dan berkontraksi saat didinginkan. Satu-satunya pengecualian untuk aturan ini adalah air. Sifat unik ini disebut anomali air. Air memiliki massa jenis tertinggi pada +4 ° C, di mana 1 dm3 \u003d 1 liter memiliki massa 1 kg.
Jika air dipanaskan atau didinginkan di sekitar titik ini, volumenya meningkat, yang berarti penurunan massa jenis, yaitu air menjadi lebih ringan. Hal ini terlihat jelas pada contoh tangki dengan titik luapan. Tangki berisi tepat 1000 cm3 air dengan suhu +4 ° C. Saat air memanas, sebagian akan keluar dari reservoir ke dalam wadah pengukur. Jika air dipanaskan hingga 90 ° C, tepatnya 35,95 cm3 akan dituangkan ke dalam wadah pengukur, yang setara dengan 34,7 g. Air juga mengembang jika mendingin di bawah +4 ° C.
Karena anomali air di dekat sungai dan danau ini, lapisan ataslah yang membeku di musim dingin. Untuk alasan yang sama, es mengapung di permukaan dan matahari musim semi dapat mencairkannya. Ini tidak akan terjadi jika es lebih berat dari air dan tenggelam ke dasar.
Reservoir titik luapan
Namun, properti ekspansi semacam itu bisa berbahaya. Misalnya, mesin mobil dan pompa air bisa meledak jika air membeku di dalamnya. Untuk menghindarinya, aditif ditambahkan ke air untuk mencegahnya membeku. Glikol sering digunakan dalam sistem pemanas; lihat spesifikasi pabrikan untuk rasio air ke glikol.
Karakteristik air mendidih
Jika air dipanaskan dalam wadah terbuka akan mendidih pada suhu 100 ° C. Jika Anda mengukur suhu air mendidih, ternyata suhunya tetap 100 ° C sampai tetes terakhir menguap. Dengan demikian, konsumsi panas konstan digunakan untuk penguapan air yang lengkap, yaitu untuk perubahan status agregasi.
Energi ini juga disebut panas laten (laten). Jika panas terus mengalir, suhu steam yang dihasilkan akan mulai naik kembali.
Proses yang dijelaskan diberikan pada tekanan udara 101,3 kPa di permukaan air. Pada tekanan udara lainnya, titik didih air bergeser dari 100 ° C.
Jika kita mengulangi percobaan yang dijelaskan pada ketinggian 3000 m - misalnya, di Zugspitze, puncak tertinggi di Jerman - kita akan menemukan bahwa air di sana sudah mendidih pada suhu 90 ° C. Penyebab perilaku ini adalah penurunan tekanan atmosfer seiring dengan ketinggian.
Semakin rendah tekanan pada permukaan air, semakin rendah titik didihnya. Sebaliknya titik didih akan semakin tinggi dengan meningkatnya tekanan pada permukaan air. Properti ini digunakan, misalnya, dalam panci presto.
Grafik tersebut menunjukkan ketergantungan titik didih air pada tekanan. Sistem pemanas diberi tekanan dengan sengaja. Ini membantu mencegah terbentuknya gelembung gas selama kondisi pengoperasian kritis dan juga mencegah udara luar memasuki sistem.
Ekspansi air saat dipanaskan dan proteksi tekanan berlebih
Sistem pemanas air panas beroperasi pada suhu air hingga 90 ° C. Biasanya, sistem diisi dengan air pada suhu 15 ° C, yang kemudian mengembang jika dipanaskan. Peningkatan volume ini tidak boleh mengakibatkan tekanan berlebih dan luapan.
Saat pemanas dimatikan di musim panas, volume air kembali ke nilai aslinya. Oleh karena itu, tangki yang cukup besar harus dipasang untuk memastikan pemuaian air yang tidak terhalang.
Sistem pemanas yang lebih lama memiliki tangki ekspansi terbuka. Mereka selalu ditempatkan di atas bagian pipa yang tertinggi. Ketika suhu dalam sistem meningkat, yang menyebabkan pemuaian air, level dalam tangki juga meningkat. Dengan penurunan suhu, itu juga menurun.
Sistem pemanas modern menggunakan tangki ekspansi membran (MRB). Ketika tekanan dalam sistem naik, tekanan dalam saluran pipa dan elemen sistem lainnya tidak boleh dibiarkan naik di atas nilai batas.
Oleh karena itu, katup pengaman merupakan prasyarat untuk setiap sistem pemanas.
Ketika tekanan naik di atas normal, katup pengaman harus membuka dan mengeluarkan kelebihan volume air yang tidak dapat ditampung oleh tangki ekspansi. Namun, dalam sistem yang dirancang dan dipelihara dengan hati-hati, kondisi kritis ini tidak boleh terjadi.
Semua alasan ini tidak memperhitungkan fakta bahwa pompa sirkulasi semakin meningkatkan tekanan dalam sistem. Hubungan antara suhu air maksimum yang dipilih oleh pompa, ukuran bejana ekspansi dan tekanan pembukaan katup pengaman harus ditetapkan dengan hati-hati. Pemilihan elemen sistem secara acak - bahkan berdasarkan biayanya - tidak dapat diterima dalam kasus ini.
Bejana ekspansi diafragma diisi dengan nitrogen. Tekanan awal dalam bejana ekspansi diafragma harus disesuaikan tergantung pada sistem pemanasnya. Air yang mengembang dari sistem pemanas memasuki tangki dan menekan kamar gas melalui diafragma. Gas bisa dikompresi, tapi cairan tidak bisa.
Tekanan
Penentuan tekanan
Tekanan adalah tekanan statis cairan dan gas, diukur dalam bejana, jalur pipa relatif terhadap tekanan atmosfer (Pa, mbar, bar).
Tekanan statis
Tekanan statis adalah tekanan fluida stasioner.
Tekanan statis \u003d level di atas titik pengukuran yang sesuai + tekanan awal dalam bejana ekspansi.
Tekanan dinamis
Tekanan dinamis adalah tekanan aliran fluida yang bergerak. Pump Discharge Pressure Ini adalah tekanan di outlet pompa sentrifugal selama operasi.
Penurunan tekanan
Tekanan yang dikembangkan oleh pompa sentrifugal untuk mengatasi hambatan total sistem. Ini diukur antara inlet dan outlet pompa sentrifugal.
Tekanan operasi
Tekanan ada di sistem saat pompa bekerja. Tekanan kerja yang diijinkan Nilai maksimum dari tekanan kerja yang diperbolehkan dari kondisi keselamatan pompa dan sistem.
Kavitasi
Kavitasi adalah pembentukan gelembung gas akibat munculnya tekanan lokal di bawah tekanan penguapan cairan yang dipompa di inlet impeler. Hal ini menyebabkan penurunan kinerja (head) dan efisiensi serta menyebabkan kebisingan dan kerusakan material pada bagian internal pompa. Akibat runtuhnya gelembung udara di area bertekanan lebih tinggi (misalnya, di outlet impeler), ledakan mikroskopis menyebabkan lonjakan tekanan yang dapat merusak atau menghancurkan sistem hidraulik. Tanda pertama dari hal ini adalah kebisingan impeler dan erosi.
Parameter penting dari pompa sentrifugal adalah NPSH (head of liquid diatas port hisap pompa). Ini menentukan tekanan masuk pompa minimum yang diperlukan oleh jenis pompa tertentu untuk beroperasi tanpa kavitasi, yaitu tekanan tambahan yang diperlukan untuk mencegah pembentukan gelembung. Nilai NPSH dipengaruhi oleh jenis impeller dan kecepatan pompa. Faktor eksternal yang mempengaruhi parameter ini adalah suhu cairan, tekanan atmosfer.
Pencegahan kavitasi
Untuk menghindari kavitasi, cairan harus masuk ke inlet pompa sentrifugal dengan daya hisap minimum tertentu, yang bergantung pada suhu dan tekanan atmosfer.
Cara lain untuk mencegah kavitasi adalah:
Kenaikan tekanan statis
Menurunkan suhu zat cair (menurunkan tekanan uap PD)
Memilih pompa dengan tekanan head konstan lebih rendah (head hisap minimum, NPSH)
Spesialis Agrovodkom akan dengan senang hati membantu Anda menentukan pilihan pompa yang optimal. Hubungi kami!
|
Alexander
2013-10-22 09:38:26
[Balasan] [Balas dengan kutipan] [Batalkan balasan]
|
Fisikawan Jepang Masakazu Matsumoto mengajukan teori yang menjelaskan mengapa air, ketika dipanaskan dari 0 hingga 4 ° C, berkontraksi, bukannya mengembang. Menurut modelnya, air mengandung formasi mikro - "vitrites", yang merupakan polihedron berongga cembung, di bagian atasnya adalah molekul air, dan ikatan hidrogen berfungsi sebagai tepinya. Saat suhu naik, dua fenomena bersaing satu sama lain: pemanjangan ikatan hidrogen antara molekul air dan deformasi vitrite, yang menyebabkan penurunan rongga. Dalam kisaran suhu dari 0 hingga 3,98 ° C, fenomena terakhir mendominasi efek pemanjangan ikatan hidrogen, yang pada akhirnya memberikan kompresi air yang diamati. Sejauh ini, belum ada konfirmasi eksperimental tentang model Matsumoto - namun, serta teori lain yang menjelaskan kompresi air.
Tidak seperti kebanyakan zat lainnya, ketika dipanaskan, air mampu menurunkan volumenya (Gbr. 1), artinya, air memiliki koefisien muai panas yang negatif. Namun, kita tidak berbicara tentang keseluruhan kisaran suhu di mana air berada dalam keadaan cair, tetapi hanya tentang area yang sempit - dari 0 ° C hingga sekitar 4 ° C. Pada suhu tinggi, air, seperti zat lainnya, mengembang.
Ngomong-ngomong, air bukanlah satu-satunya zat yang memiliki sifat menyusut dengan meningkatnya suhu (atau mengembang saat mendingin). Bismut, galium, silikon, dan antimon juga bisa "membanggakan" perilaku serupa. Namun demikian, karena struktur internalnya yang lebih kompleks, serta prevalensi dan pentingnya dalam berbagai proses, airlah yang menarik perhatian para ilmuwan (lihat Studi tentang struktur air berlanjut, "Elemen", 09.10.2006).
Beberapa waktu yang lalu, teori yang diterima secara umum menjawab pertanyaan mengapa air meningkatkan volumenya dengan penurunan suhu (Gbr. 1) adalah model campuran dua komponen - "normal" dan "seperti es". Teori ini pertama kali diajukan pada abad ke-19 oleh Harold Whiting dan kemudian dikembangkan dan disempurnakan oleh banyak ilmuwan. Baru-baru ini, dalam kerangka polimorfisme air yang ditemukan, teori Whiting dipikirkan ulang. Mulai saat ini, diyakini bahwa ada dua jenis nanodomain mirip es di air super dingin: wilayah yang mirip dengan es amorf dengan kepadatan tinggi dan rendah. Pemanasan air superdingin menyebabkan mencairnya struktur nano ini dan munculnya dua jenis air: dengan kepadatan yang lebih tinggi dan lebih rendah. Persaingan suhu yang rumit antara dua "jenis" air yang dihasilkan menimbulkan ketergantungan kepadatan non-monotonik pada suhu. Namun, teori ini belum dikonfirmasi secara eksperimental.
Anda perlu berhati-hati dengan penjelasan ini. Bukan kebetulan bahwa hanya struktur yang menyerupai es amorf yang dibicarakan di sini. Intinya adalah bahwa daerah nanoskopik es amorf dan analog makroskopiknya memiliki parameter fisik yang berbeda.
Fisikawan Jepang Masakazu Matsumoto memutuskan untuk menemukan penjelasan untuk efek yang didiskusikan di sini dari awal, membuang teori campuran dua komponen. Dengan menggunakan simulasi komputer, dia memeriksa sifat fisik air pada rentang temperatur yang luas - dari 200 hingga 360 K pada tekanan nol, untuk mengetahui pada skala molekuler alasan sebenarnya dari pemuaian air saat mendingin. Artikelnya di Physical Review Letters berjudul Mengapa Air Mengembang Saat Mendingin? ("Mengapa air mengembang saat mendingin?").
Awalnya, penulis artikel mengajukan pertanyaan: apa yang mempengaruhi koefisien muai panas air? Matsumoto percaya bahwa untuk ini cukup mengetahui pengaruh tiga faktor saja: 1) perubahan panjang ikatan hidrogen antar molekul air, 2) indeks topologi - jumlah ikatan per molekul air, dan 3) deviasi sudut antar ikatan dari nilai kesetimbangan (distorsi sudut).
Angka: 2. Paling mudah bagi molekul air untuk bersatu dalam kelompok dengan sudut antara ikatan hidrogen sebesar 109,47 derajat. Sudut ini disebut tetrahedral karena merupakan sudut yang menghubungkan pusat tetrahedron beraturan dan kedua simpulnya. Menggambar dari situs lsbu.ac.uk
Sebelum berbicara tentang hasil yang diperoleh fisikawan Jepang, mari kita buat catatan dan klarifikasi penting tentang ketiga faktor di atas. Pertama-tama, rumus kimia biasa air H 2 O hanya sesuai dengan bentuk uapnya. Dalam bentuk cair, molekul air disatukan oleh ikatan hidrogen menjadi kelompok (H 2 O) x, di mana x adalah jumlah molekul. Kombinasi yang paling menguntungkan secara energetik dari lima molekul air (x \u003d 5) dengan empat ikatan hidrogen, di mana ikatan tersebut membentuk kesetimbangan, yang disebut sudut tetrahedral, sama dengan 109,47 derajat (lihat Gambar 2).
Setelah menganalisis ketergantungan panjang ikatan hidrogen antara molekul air pada suhu, Matsumoto sampai pada kesimpulan yang diharapkan: peningkatan suhu menyebabkan pemanjangan linier ikatan hidrogen. Dan ini, pada gilirannya, mengarah pada peningkatan volume air, yaitu pemuaiannya. Fakta ini bertentangan dengan hasil pengamatan, oleh karena itu, ia mempertimbangkan pengaruh faktor kedua lebih lanjut. Bagaimana koefisien muai panas bergantung pada indeks topologi?
Simulasi komputer memberikan hasil sebagai berikut. Pada suhu rendah, volume air terbesar dalam persentase ditempati oleh gugus air, yang memiliki 4 ikatan hidrogen per molekul (indeks topologi adalah 4). Peningkatan suhu menyebabkan penurunan jumlah asosiasi dengan indeks 4, tetapi pada saat yang sama, jumlah cluster dengan indeks 3 dan 5 mulai meningkat.Setelah melakukan perhitungan numerik, Matsumoto menemukan bahwa volume lokal cluster dengan indeks topologi 4 praktis tidak berubah dengan kenaikan suhu, dan perubahan volume total asosiasi dengan indeks 3 dan 5 pada suhu apapun saling mengimbangi satu sama lain. Akibatnya, perubahan suhu tidak mengubah total volume air, yang berarti indeks topologi tidak berpengaruh pada kompresi air saat dipanaskan.
Ini masih mengklarifikasi efek distorsi sudut ikatan hidrogen. Dan di sini yang paling menarik dan penting dimulai. Seperti disebutkan di atas, molekul air cenderung bersatu sehingga sudut antara ikatan hidrogen adalah tetrahedral. Namun, getaran termal molekul air dan interaksi dengan molekul lain yang tidak termasuk dalam kluster mencegah mereka melakukan hal ini, sehingga nilai sudut ikatan hidrogen menyimpang dari nilai kesetimbangan 109,47 derajat. Untuk entah bagaimana secara kuantitatif mengkarakterisasi proses deformasi sudut ini, Matsumoto dan rekannya, berdasarkan pekerjaan mereka sebelumnya. Blok penyusun topologi jaringan ikatan hidrogen dalam air, yang diterbitkan pada tahun 2007 dalam Journal of Chemical Physics, menghipotesiskan keberadaan mikrostruktur tiga dimensi dalam air yang menyerupai polyhedra berlubang cembung. Kemudian, dalam publikasi berikutnya, mereka menyebut mikrostruktur tersebut vitrites (Gbr. 3). Di dalamnya, simpul adalah molekul air, peran tepi dimainkan oleh ikatan hidrogen, dan sudut antara ikatan hidrogen adalah sudut antara tepi di vitrit.
Menurut teori Matsumoto, ada banyak variasi bentuk vitrites, yang, seperti elemen mosaik, merupakan bagian besar dari struktur air dan pada saat yang sama mengisi seluruh volumenya secara merata.
Angka: 3. Enam vitrit khas yang membentuk struktur internal air. Bola sesuai dengan molekul air, segmen antara bola mewakili ikatan hidrogen. Vitrit memenuhi teorema Euler yang terkenal untuk polihedra: jumlah total simpul dan permukaan dikurangi jumlah sisi adalah 2. Ini berarti bahwa vitrit adalah polihedra cembung. Jenis vitrite lainnya dapat dilihat di vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. Angka: dari artikel Masakazu Matsumoto, Akinori Baba, dan Iwao Ohminea Network Motif of Water, diterbitkan di AIP Conf. Proc.
Molekul air cenderung membuat sudut tetrahedron dalam vitrit, karena vitrit harus memiliki energi serendah mungkin. Namun, karena gerakan termal dan interaksi lokal dengan vitrit lain, beberapa mikrostruktur tidak memiliki geometri dengan sudut tetrahedral (atau sudut yang mendekati nilai ini). Mereka menerima konfigurasi nonequilibrium struktural seperti itu (yang bukan yang paling menguntungkan bagi mereka dari sudut pandang energik), yang memungkinkan seluruh "keluarga" vitrites secara keseluruhan untuk mendapatkan nilai energi serendah mungkin. Vitrits semacam itu, yaitu, vitrits yang seolah-olah mengorbankan diri untuk "kepentingan energi bersama" disebut frustrasi. Jika vitrite yang tidak mengalami frustasi memiliki volume rongga maksimum pada suhu tertentu, maka sebaliknya, vitrites yang mengalami frustasi memiliki volume seminimal mungkin.
Simulasi komputer yang dilakukan oleh Matsumoto menunjukkan bahwa rata-rata volume rongga vitrite menurun secara linier seiring dengan peningkatan suhu. Pada saat yang sama, vitrites frustasi secara signifikan mengurangi volumenya, sedangkan volume rongga vitrites non-frustasi hampir tidak berubah.
Jadi, kompresi air dengan peningkatan suhu disebabkan oleh dua efek yang saling bersaing - pemanjangan ikatan hidrogen, yang menyebabkan peningkatan volume air, dan penurunan volume rongga vitrit yang rusak. Dalam kisaran suhu dari 0 hingga 4 ° C, fenomena terakhir, seperti yang ditunjukkan oleh perhitungan, berlaku, yang pada akhirnya mengarah pada kompresi air yang diamati dengan peningkatan suhu.
Tetap menunggu konfirmasi eksperimental tentang keberadaan vitrit dan perilakunya. Tapi ini, sayangnya, adalah tugas yang sangat sulit.
Apakah itu meluas atau menyusut? Jawabannya adalah sebagai berikut: dengan datangnya musim dingin, air memulai proses pemuaiannya. Mengapa ini terjadi? Sifat ini membuat air menonjol dari daftar semua cairan dan gas lainnya, yang sebaliknya, dikompresi saat didinginkan. Apa alasan dari perilaku cairan yang tidak biasa ini?
Fisika Grade 3: Apakah air mengembang atau berkontraksi saat membeku?
Sebagian besar zat dan bahan mengembang saat dipanaskan dan menyusut saat didinginkan. Gas menunjukkan efek ini lebih nyata, tetapi berbagai cairan dan logam padat menunjukkan sifat yang sama.
Salah satu contoh pemuaian dan kontraksi gas yang paling mencolok adalah udara dalam balon. Saat kita membawa balon keluar dalam cuaca di bawah nol, ukuran balon langsung mengecil. Jika kita membawa bola ke ruangan yang dipanaskan, maka bola itu langsung bertambah. Tetapi jika kita membawa balon ke bak mandi, itu akan meledak.
Molekul air membutuhkan lebih banyak ruang
Penyebab terjadinya proses ekspansi dan kontraksi berbagai zat ini adalah karena molekul. Molekul yang menerima lebih banyak energi (ini terjadi di ruangan yang hangat) bergerak lebih cepat daripada molekul di ruangan dingin. Partikel yang memiliki lebih banyak energi bertabrakan dengan lebih aktif dan lebih sering, mereka membutuhkan lebih banyak ruang untuk bergerak. Untuk menahan tekanan yang diberikan oleh molekul, material mulai membesar. Apalagi ini terjadi cukup pesat. Jadi, apakah air mengembang atau menyusut saat membeku? Mengapa ini terjadi?
Air tidak mematuhi aturan ini. Jika kita mulai mendinginkan air hingga empat derajat Celcius, maka volumenya berkurang. Tetapi jika suhu terus turun, maka air tiba-tiba mulai mengembang! Ada sifat seperti anomali kepadatan air. Sifat ini terjadi pada suhu empat derajat Celcius.
Sekarang setelah kita mengetahui apakah air mengembang atau menyusut saat membeku, mari kita cari tahu bagaimana anomali ini sebenarnya terjadi. Alasannya terletak pada partikel penyusunnya. Molekul air terdiri dari dua atom hidrogen dan satu oksigen. Semua orang tahu formula air sejak sekolah dasar. Atom dalam molekul ini menarik elektron dengan cara yang berbeda. Hidrogen menciptakan pusat gravitasi positif, sedangkan oksigen sebaliknya, memiliki pusat negatif. Ketika molekul air bertabrakan satu sama lain, atom hidrogen dari satu molekul dipindahkan ke atom oksigen dari molekul yang sama sekali berbeda. Fenomena ini disebut ikatan hidrogen.
Air membutuhkan lebih banyak ruang saat mendingin
Pada saat proses pembentukan ikatan hidrogen dimulai, tempat-tempat mulai muncul di air di mana molekul berada dalam urutan yang sama seperti di kristal es. Kosong ini disebut cluster. Mereka tidak sekuat kristal air yang padat. Saat suhu naik, mereka rusak dan mengubah lokasinya.
Selama proses tersebut, jumlah cluster dalam cairan mulai meningkat dengan cepat. Mereka membutuhkan lebih banyak ruang untuk propagasi, sebagai akibatnya air bertambah besar setelah mencapai kepadatan abnormal.
Ketika termometer turun di bawah nol, gugusan mulai berubah menjadi kristal es kecil. Mereka mulai mendaki. Akibat semua ini, air berubah menjadi es. Ini adalah kemampuan air yang sangat tidak biasa. Fenomena ini diperlukan untuk sejumlah besar proses di alam. Kita semua tahu, dan jika kita tidak mengetahuinya, maka kita ingat bahwa kepadatan es sedikit lebih sedikit daripada kepadatan air dingin atau dingin. Hal ini memungkinkan es mengapung di permukaan air. Semua waduk mulai membeku dari atas ke bawah, yang memungkinkan penghuni akuatik hidup damai dan tidak membeku di dasar. Nah, sekarang kita tahu secara detail apakah air mengembang atau menyusut saat membeku.
Air panas membeku lebih cepat daripada air dingin. Jika kita mengambil dua gelas yang sama dan menuangkan air panas ke dalam satu, dan jumlah yang sama air dingin di gelas lainnya, kita akan melihat bahwa air panas membeku lebih cepat daripada air dingin. Ini tidak logis, setuju? Air panas perlu didinginkan untuk membekukan, tetapi air dingin tidak. Bagaimana menjelaskan fakta ini? Ilmuwan sampai hari ini tidak dapat menjelaskan misteri ini. Fenomena ini dinamakan “Efek Mpemba”. Ini ditemukan pada tahun 1963 oleh seorang ilmuwan dari Tanzania dalam keadaan yang tidak biasa. Seorang siswa ingin membuat es krim untuk dirinya sendiri dan melihat bahwa air panas membeku lebih cepat. Dia berbagi ini dengan guru fisika, yang pada awalnya tidak mempercayainya.
Untuk pertanyaan Mengapa volume air mengembang selama pendinginan, ketika zat lain berkontraksi selama pendinginan? diberikan oleh penulis Pavel Anufriev jawaban terbaiknya adalah Saat mendingin, air pada awalnya berperilaku seperti banyak senyawa lainnya: ia secara bertahap menjadi lebih padat dan menurunkan volume spesifiknya. Tetapi pada 4 ° C (lebih tepatnya, pada 3,98 ° C), terjadi keadaan krisis - penataan ulang struktural, dan dengan penurunan suhu lebih lanjut, volume air tidak lagi berkurang, tetapi meningkat. Ketika didinginkan dalam kondisi normal di bawah 0 ° C, air mengkristal, membentuk es, kepadatannya lebih kecil, dan volumenya hampir 10% lebih besar dari volume air aslinya.
Peningkatan volume ini disebabkan oleh fakta bahwa setiap molekul dalam struktur es terikat hidrogen dengan empat molekul lainnya. Akibatnya, struktur kerawang dengan "rongga" antara molekul air tetap terbentuk di fase es, yang menyebabkan ekspansi signifikan dari seluruh massa beku. Struktur kristal es menyerupai struktur berlian: setiap molekul H2O dikelilingi oleh empat molekul yang paling dekat dengannya, berpartisipasi dalam pembentukan ikatan hidrogen dan terletak pada jarak yang sama darinya, sama dengan 2,76 angstrom dan terletak di simpul tetrahedron biasa pada sudut yang sama dengan 109 ° 28 "( Karena bilangan koordinasi yang rendah, struktur es bersifat retikulat, yang mempengaruhi kepadatannya yang rendah. Struktur kerawang es mengarah pada fakta bahwa massa jenisnya, sama dengan 916,7 kg / m³ pada 0 ° C, lebih rendah daripada massa jenis air ( 999,8 kg / m³) pada suhu yang sama.
Karena itu, air, yang berubah menjadi es, meningkatkan volumenya sekitar 9%:
Dalam proses peleburan, pada 0 ° C, sekitar 10-15% air kehilangan ikatannya dengan senyawa, akibatnya, mobilitas beberapa molekul meningkat, dan mereka tenggelam ke dalam rongga yang kaya akan struktur kerawang es. Hal ini menjelaskan kompresi es selama pencairan dan kepadatan air yang lebih tinggi, yang meningkat sekitar 10%. Dapat diasumsikan bahwa nilai ini dengan cara tertentu mencirikan jumlah molekul air yang terperangkap dalam rongga. Massa jenis air yang dihasilkan mencapai maksimum pada suhu 4 ° С, dan dengan peningkatan suhu lebih lanjut, pemuaian air secara teratur yang terkait dengan peningkatan gerakan molekuler melebihi efek penataan ulang struktural "air es", dan kerapatan air mulai menurun secara bertahap.
Jawaban dari 2 jawaban[guru]
Halo! Berikut adalah pilihan topik dengan jawaban atas pertanyaan Anda: Mengapa volume air mengembang saat didinginkan, saat zat lain berkontraksi saat didinginkan?
Jawaban dari Placer[pemula]
Air tidak mengembang saat didinginkan. hanya setelah air mengeras dan menjadi es, hanya setelah itu volumenya akan bertambah, karena bertambahnya jarak antar molekul air.
Jawaban dari Mike tiaroff[guru]
air juga dikompresi ... pertanyaannya diajukan dengan tidak benar. ... air berkontraksi hingga -4 derajat, dan kemudian mengembang ... ini disebut transisi fase, dan selama transisi tersebut zat berperilaku dengan cara yang sama sekali tidak terbayangkan ... ketika dipanaskan hingga 100 derajat, ekspansi terjadi, dan di atas suhu tidak diperoleh, tetapi transisi ke uap terjadi - juga transisi fase ... ikatan antar molekul memperoleh sifat lain - kristalisasi dimulai di air ...
