מה עושים מים כשהם מתקררים. מה קורה למים כשהם מתחממים

אנו מוקפים במים, כשלעצמם, בהרכב של חומרים וגופים אחרים. זה יכול להיות מוצק, נוזלי או גזי, אבל מים תמיד נמצאים סביבנו. מדוע האספלט נסדק בכבישים, מדוע צנצנת זכוכית של מים פורצת בקור, מדוע חלונות ערפילים בעונה הקרה, מדוע מטוס משאיר שביל לבן בשמיים - אנו נחפש תשובות לכל אלה ואחרים "מדוע" בשיעור זה. נלמד כיצד תכונות המים משתנות בעת חימום, קירור והקפאה, כיצד נוצרות בהן מערות תת קרקעיות ודמויות מוזרות, כיצד פועל מדחום.

נושא: טבע דומם

שיעור: תכונות מים נוזליים

בצורתם הטהורה אין למים טעם, ריח או צבע, אך כמעט אף פעם הם לא קורים כך, מכיוון שהם ממיסים באופן פעיל את רוב החומרים כשלעצמם ומשתלבים עם החלקיקים שלהם. כמו כן, מים יכולים לחדור לגופים שונים (מדענים מצאו מים אפילו באבנים).

אם אתה לוקח מי ברז לכוס, זה ייראה נקי. אך למעשה, מדובר בפתרון של חומרים רבים, ביניהם ישנם גזים (חמצן, ארגון, חנקן, פחמן דו חמצני), זיהומים שונים באוויר, מלחים מומסים מהאדמה, ברזל מצינורות מים, חלקיקי האבק הקטנים שלא מומסו וכו '.

אם תעביר פיפטה של \u200b\u200bטיפת מי ברז לכוס נקייה ותאפשר לה להתאדות, יישארו כתמים עדינים.

מי הנהרות והנחלים, רוב האגמים מכילים זיהומים שונים, למשל, מלחים מומסים. אבל הם מעטים מכיוון שהמים האלה טריים.

מים זורמים על היבשה והתחתית, ממלאים נחלים, אגמים, נהרות, ים ואוקיאנוסים, יוצרים ארמונות תת קרקעיים.

עושה את דרכו דרך חומרים מסיסים בקלות, מים חודרים עמוק לתוך האדמה, לוקחים אותם איתם, ודרך סדקים וסדקים בסלעים, ויוצרים מערות תת קרקעיות, מטפטפים מקשתם, ויוצרים פסלים מוזרים. מיליארדי טיפות מים מתאדים לאורך מאות שנים, וחומרים מומסים במים (מלחים, אבני גיר) מתיישבים על קשתות המערה ויוצרים קרחונים מאבן הנקראים נטיפים.

תצורות דומות על רצפת המערה נקראות סטלגמיטים.

וכאשר הנטיפים והזקיפים צומחים יחד ויוצרים עמוד אבן, זה נקרא קיפאון.

בהתבוננות בסחף הקרח על הנהר, אנו רואים מים במוצקים (קרח ושלג), נוזלים (זורמים מתחתם) ומצבם הגזי (חלקיקי המים הקטנים ביותר עולים לאוויר, הנקראים גם אדי מים).

מים יכולים להיות בו זמנית בכל שלושת המצבים: תמיד יש אדי מים באוויר ועננים, המורכבים מטיפות מים וגבישי קרח.

אדי מים אינם נראים, אך ניתן לזהותם בקלות אם משאירים כוס מים מקוררת במקרר למשך שעה בחדר חם, שעל קירותיו מופיעים מיד טיפות מים. במגע עם הקירות הקרים של הזכוכית, אדי המים הכלולים באוויר הופכים לטיפות מים ומתייצבים על פני הזכוכית.

דמות: 11. עיבוי על קירות הזכוכית הקרה ()

מאותה סיבה, הצד הפנימי של זכוכית החלון ערפל בעונה הקרה. אוויר קר אינו יכול להכיל אדי מים כמו אוויר חם, ולכן חלקם מתעבים - הופך לטיפות מים.

השביל הלבן מאחורי מטוס שעף בשמיים הוא גם תוצאה של עיבוי מים.

אם תביא מראה לשפתיים ותנשוף, טיפות המים הקטנות ביותר יישארו על פני השטח שלה, זה מוכיח שכאשר נושמים אדם שואף אדי מים באוויר.

בחימום המים "מתרחבים". ניתן להוכיח זאת בניסוי פשוט: צינור זכוכית הורד לבקבוק עם מים ונמדד מפלס המים בו; לאחר מכן הורדו את הבקבוקון לכלי עם מים חמים ולאחר חימום המים נמדדה מחדש המפלס בצינור, אשר עלה בצורה ניכרת, מכיוון שהמים גדלו בנפחם בעת חימום.

דמות: 14. בקבוקון עם צינור, מספר 1 ומקף מציין את מפלס המים הראשוני

דמות: 15. בקבוקון עם צינור, מספר 2 וקעקוע מציינים את מפלס המים בחימום

כשהם מקוררים, המים "דחוסים". ניתן להוכיח זאת בניסוי דומה: במקרה זה, הבקבוקון עם הצינור הונמך לכלי עם קרח, לאחר קירור מפלס המים בצינור צנח ביחס לסימן ההתחלתי, מכיוון שהמים ירדו בנפחם.

דמות: 16. בקבוקון עם צינור, מספר 3 וקעקוע מציינים את מפלס המים בעת הקירור

זה קורה מכיוון שחלקיקי מים, מולקולות, כאשר הם מחוממים, נעים מהר יותר, מתנגשים זה בזה, דוחים מקירות הכלי, המרחק בין המולקולות עולה, ולכן הנוזל תופס נפח גדול יותר. כאשר מים מתקררים תנועת חלקיקיהם מאטה, המרחק בין המולקולות פוחת והנוזל דורש נפח קטן יותר.

דמות: 17. מולקולות מים בטמפרטורה רגילה

דמות: 18. מולקולות מים בעת חימום

דמות: 19. מולקולות מים כשהן מקוררות

מאפיינים אלה הם לא רק על ידי מים, אלא גם על ידי נוזלים אחרים (אלכוהול, כספית, בנזין, נפט).

הידע על תכונה זו של נוזלים הוביל להמצאת מדחום (מדחום), בו משתמשים באלכוהול או כספית.

כשהוא קופא, המים מתרחבים. ניתן להוכיח אם מיכל, מלא עד אפס מקום במים, מכוסה ברפיון במכסה ומונח במקפיא, לאחר זמן מה נראה כי הקרח שנוצר ירים את המכסה, ויוצא מהמיכל.

נכס זה נלקח בחשבון בעת \u200b\u200bהנחת צינורות מים, אותם יש לבודד כדי שהקרח הנוצר מהמים לא ישבור את הצינורות בעת הקפאה.

בטבע, מים מקפיאים יכולים להרוס הרים: אם מים מצטברים בסדקים בסלעים בסתיו, בחורף הם קופאים, ובלחץ קרח שתופס נפח גדול יותר מהמים מהם נוצרו, סלעים נסדקים ומתמוטטים.

הקפאת מים בסדקים בכבישים מובילה להרס ריצוף האספלט.

רכסים ארוכים הדומים לקפלים על גזעי עצים הם פצעים שנשברים מעץ בלחץ שאב עצים קופא בו. לכן, בחורפים קרים, אתה יכול לשמוע את פיצוחי העצים בפארק או ביער.

1. Vakhrushev A.A., Danilov D.D. העולם סביבנו 3. מ ': בלס.
2. דמיטריבה N.Ya., Kazakov A.N. העולם סביבנו 3. מ ': הוצאת ספרים "פדורוב".
3. Pleshakov A.A. העולם שמסביב 3. M: Education.

1. פסטיבל הרעיונות הפדגוגיים ().
2. מדע וחינוך ().
3. מעמד ציבורי ().

1. ערכו מבחן קצר (4 שאלות עם 3 תשובות אפשריות) בנושא "מים סביבנו".
2. נסו ניסוי קטן: הניחו כוס מים קרים מאוד על השולחן בחדר חם. תאר מה יקרה, הסביר מדוע.
3. * שרטטו את תנועת מולקולות המים במצב מחומם, תקין ומקורר. אם יש צורך, תייג את הציור שלך.

במערכות חימום מים חמים משתמשים במים להעברת חום מהגנרטור שלהם לצרכן.
המאפיינים החשובים ביותר של מים הם:
קיבולת חום;
שינוי בנפח בעת חימום וקירור;
מאפייני רתיחה עם שינויים בלחץ החיצוני;
cavitation.
שקול את המאפיינים הפיזיים האלה של מים.

חום ספציפי

מאפיין חשוב של כל נושא חום הוא יכולת החום שלו. אם אנו מבטאים זאת במונחים של המסה והפרש הטמפרטורה של נוזל הקירור, נקבל את קיבולת החום הספציפית. זה מצוין על ידי המכתב ג ובעל הממד kJ / (ק"ג K) חום ספציפי הוא כמות החום שיש להעביר ל- 1 ק"ג של חומר (לדוגמא מים) על מנת לחמם ב -1 מעלות צלזיוס. לעומת זאת, חומר מפריש את אותה כמות אנרגיה כשהוא מקורר. הערך הממוצע של חום המים הספציפי בטווח שבין 0 ° C ל- 100 ° C הוא:
c \u003d 4.19 kJ / (ק"ג K) או c \u003d 1.16 Wh / (ק"ג K)
כמות החום הנספגת או נוצרת שלידי ביטוי י אוֹ kj, תלוי במסה mלידי ביטוי ק"ג, חום ספציפי ג והפרש הטמפרטורה המתבטא ב ק.

הגדל וירד בנפח

כל החומרים הטבעיים מתרחבים כאשר הם מחוממים ומתכווצים כאשר מקוררים. היוצא מן הכלל היחיד לכלל זה הוא מים. מאפיין ייחודי זה נקרא אנומליה של מים. למים יש את הצפיפות הגבוהה ביותר ב -4 מעלות צלזיוס, בהן 1 dm3 \u003d 1 ליטר בעל מסה של 1 ק"ג.

אם מחממים או מקוררים מים סביב נקודה זו, נפחם גדל, כלומר ירידה בצפיפות, כלומר המים הופכים קלים יותר. ניתן לראות זאת בבירור בדוגמה של טנק עם נקודת הצפה. המיכל מכיל בדיוק 1000 סמ"ק מים בטמפרטורה של +4 מעלות צלזיוס. כאשר המים מתחממים, חלקם ישפכו מהמאגר למיכל המדידה. אם מחממים את המים ל- 90 מעלות צלזיוס בדיוק 35.95 סמ"ק יישפכו למיכל המדידה, מה שמתאים ל -34.7 גרם. המים מתרחבים גם כשהם מתקררים מתחת ל -4 מעלות צלזיוס.

בגלל חריגה זו של מים ליד נהרות ואגמים, היא השכבה העליונה שקופאת בחורף. מאותה סיבה קרח צף על פני השטח ושמש האביב יכולה להמיס אותו. זה לא היה קורה אם הקרח היה כבד יותר ממים ושקע לקרקעית.

מאגר נקודת הצפה

עם זאת, נכס כזה שמרחיב יכול להיות מסוכן. לדוגמא, מנועי רכב ומשאבות מים עלולים להתפוצץ אם המים קופאים בהם. כדי להימנע מכך מוסיפים תוספים למים בכדי למנוע קפיאה. גליקולים משמשים לעתים קרובות במערכות חימום; עיין במפרט היצרן לגבי יחס מים לגליקול.

מאפייני מים רותחים

אם מחממים מים במיכל פתוח, הם ירתחו בטמפרטורה של 100 מעלות צלזיוס. אם מודדים את הטמפרטורה של מים רותחים, מתברר שהם נשארים על 100 מעלות צלזיוס עד שהטיפה האחרונה מתאדה. לפיכך, צריכת חום קבועה משמשת לאידוי מוחלט של מים, כלומר לשינוי במצב הצבירה שלהם.

אנרגיה זו נקראת גם חום סמוי (סמוי). אם החום ימשיך לזרום, הטמפרטורה של האדים הנוצרים תעלה שוב.

התהליך המתואר ניתן בלחץ אוויר של 101.3 kPa על פני המים. בכל לחץ אוויר אחר, נקודת הרתיחה של המים עוברת מ 100 מעלות צלזיוס.

אם נחזור על הניסוי המתואר בגובה 3000 מ '- למשל בזוגספיטזה, הפסגה הגבוהה ביותר בגרמניה - היינו מגלים שהמים שם רותחים כבר ב 90 מעלות צלזיוס. הסיבה להתנהגות זו היא הירידה בלחץ האטמוספרי עם הגובה.

ככל שהלחץ על פני המים נמוך יותר, כך נקודת הרתיחה תהיה נמוכה יותר. לעומת זאת, נקודת הרתיחה תהיה גבוהה יותר עם לחץ הולך וגובר על פני המים. מאפיין זה משמש, למשל, בסירי לחץ.

הגרף מראה את התלות של נקודת הרתיחה של המים בלחץ. מערכות לחימום מופעלות בלחץ מכוון. זה מסייע במניעת בועות גז להיווצר בתנאי הפעלה קריטיים וגם מונע כניסה של אוויר חיצוני למערכת.

הרחבת מים בחימום והגנת לחץ יתר

מערכות חימום מים חמים פועלות בטמפרטורות מים עד 90 מעלות צלזיוס. בדרך כלל, המערכת מלאה במים בטמפרטורה של 15 מעלות צלזיוס, ואז היא מתרחבת בחימום. אסור לאפשר לגידול בנפח זה לגרום ליתר לחץ יתר ולהצפה.

כאשר מכבים את החימום בקיץ, נפח המים חוזר לערכו המקורי. לכן, יש להתקין מיכל גדול מספיק בכדי להבטיח התרחבות בלתי מפריעה של המים.

במערכות חימום ישנות היו מיכלי התפשטות פתוחים. הם תמיד היו ממוקמים מעל הקטע הגבוה ביותר של הצינור. כאשר הטמפרטורה במערכת עלתה, מה שהוביל להתפשטות המים, גם המפלס במיכל עלה. עם ירידה בטמפרטורה, היא ירדה בהתאמה.

מערכות חימום מודרניות משתמשות במיכלי התפשטות ממברנה (MRB). כאשר הלחץ במערכת עולה, אסור לתת ללחץ בצינורות ואלמנטים אחרים של המערכת לעלות מעל ערך הגבול.

לכן, שסתום בטיחות הוא תנאי הכרחי לכל מערכת חימום.

כאשר הלחץ עולה על הנורמה, על שסתום הבטיחות להיפתח ולדמם את נפח המים העודף שמכל הרחבה אינו יכול להכיל. עם זאת, במערכת שתוכננה ומתוחזקת בקפידה, מצב קריטי זה לעולם לא אמור להתרחש.

כל הנימוקים הללו לא לוקחים בחשבון את העובדה שמשאבת הזרימה מגבירה עוד יותר את הלחץ במערכת. יש לקבוע היטב את הקשר בין טמפרטורת המים המרבית שנבחרה על ידי המשאבה, גודל כלי ההרחבה ולחץ הפתיחה של שסתום הבטיחות. הבחירה האקראית של רכיבי המערכת - גם על בסיס עלותם - אינה מקובלת במקרה זה.

כלי הרחבת הסרעפת מסופק מלא בחנקן. יש לכוונן את הלחץ הראשוני בכלי הרחבת הסרעפת בהתאם למערכת החימום. המים המתרחבים ממערכת החימום נכנסים למיכל ודוחסים את תא הגז דרך הסרעפת. ניתן לדחוס גזים, אך נוזלים אינם יכולים.

לַחַץ

קביעת לחץ
לחץ הוא הלחץ הסטטי של נוזלים וגזים הנמדדים בכלי, צינורות ביחס ללחץ האטמוספרי (Pa, mbar, bar).

לחץ סטטי
לחץ סטטי הוא לחץ של נוזל נייח.
לחץ סטטי \u003d רמה מעל נקודת המדידה המתאימה + לחץ התחלתי בכלי ההרחבה.

לחץ דינמי
לחץ דינמי הוא הלחץ של זרם נוזלים נע. לחץ פריקת משאבה זהו הלחץ ביציאת המשאבה הצנטריפוגלית במהלך הפעולה.

ירידה בלחץ
הלחץ שפותח על ידי משאבה צנטריפוגלית בכדי להתגבר על ההתנגדות הכוללת של המערכת. הוא נמדד בין כניסה ויציאה של משאבה צנטריפוגלית.

לחץ הפעלה
הלחץ הקיים במערכת כאשר המשאבה פועלת. לחץ עבודה מותר הערך המרבי של לחץ העבודה המותר מתנאי הבטיחות של המשאבה והמערכת.

Cavitation

Cavitation - זהו היווצרות בועות גז כתוצאה מהופעת לחץ מקומי מתחת ללחץ האידוי של הנוזל השאוב בכניסה לאימפלר. זה מוביל לירידה בביצועים (ראש) ויעילות וגורם לרעש ולהרס חומרי של החלקים הפנימיים של המשאבה. עקב קריסת בועות אוויר באזורים של לחץ גבוה יותר (למשל ביציאת המדחף), פיצוצים מיקרוסקופיים גורמים לעליית לחץ העלולה לפגוע במערכת ההידראולית או להרוס אותה. הסימן הראשון לכך הוא רעש וכוח סחף.

פרמטר חשוב של משאבת צנטריפוגה הוא NPSH (גובה עמוד הנוזל מעל צינור היניקה של המשאבה). הוא מגדיר את לחץ כניסת המשאבה המינימלי הנדרש על ידי סוג משאבה נתון לפעול ללא cavitation, כלומר הלחץ הנוסף הנדרש למניעת היווצרות בועות. ערך ה- NPSH מושפע מסוג המדחף ומהירות המשאבה. גורמים חיצוניים המשפיעים על פרמטר זה הם טמפרטורת הלחץ הנוזלי והאטמוספרי.

מניעת cavitation
כדי להימנע מקביעה, על הנוזל להיכנס לכניסה של משאבת הצנטריפוגה במעלית יניקה מינימלית מסוימת, שתלויה בטמפרטורה ובלחץ האטמוספרי.
דרכים נוספות למניעת cavitation הן:
עליית לחץ סטטי
הורדת טמפרטורת הנוזל (הורדת לחץ האדים PD)
בחירת משאבה עם לחץ ראש קבוע נמוך יותר (ראש יניקה מינימלי, NPSH)
המומחים לאגרובודקום ישמחו לעזור לכם לקבוע את בחירת המשאבה האופטימלית. צור קשר!

אלכסנדר 2013-10-22 09:38:26 [לענות] [הגב עם ציטוט] [בטל תגובה] ניקולות 2016-01-13 13:10:54 הודעה מאת אלכסנדר במילים פשוטות: אם למערכת חימום סגורה נפח מים הוא 100 ליטר. וטמפרטורה של 70 מעלות - כמה נפח המים יגדל. לחץ מים מערכת 1.5 בר. 3.5-4.0 ליטר [לענות] [הגב עם ציטוט] [בטל תגובה]

הפיזיקאי היפני מסקאצו מצומוטו העלה תיאוריה המסבירה מדוע מים, כאשר הם מחוממים מ- 0 עד 4 מעלות צלזיוס, מתכווצים, במקום להתרחב. על פי המודל שלו, מים מכילים תצורות מיקרו - "ויטריטים", שהם פולידרונים חלולים קמורים, שבראשיהם מולקולות מים, וקשרי מימן משמשים כקצוות. ככל שהטמפרטורה עולה, שתי תופעות מתחרות זו בזו: הארכת קשרי מימן בין מולקולות מים ועיוות של ויטריט, מה שמוביל לירידה בחללים שלהן. בטווח הטמפרטורות בין 0 ל -3.98 מעלות צלזיוס, התופעה האחרונה שולטת בהשפעת הארכת קשרי מימן, מה שבסופו של דבר נותן את הדחיסה הנצפית של מים. עדיין אין אישור ניסיוני למודל של מצומוטו - עם זאת, כמו גם תיאוריות אחרות המסבירות את דחיסת המים.

שלא כמו הרוב המכריע של החומרים, כאשר הם מחוממים, מים מסוגלים להקטין את נפחם (איור 1), כלומר יש להם מקדם התרחבות תרמי שלילי. עם זאת, אנחנו לא מדברים על כל טווח הטמפרטורות שבו מים קיימים במצב נוזלי, אלא רק על שטח צר - מ -0 ° C לכ -4 ° C. בטמפרטורות גבוהות, מים, כמו חומרים אחרים, מתרחבים.

אגב, מים אינם החומר היחיד שיש לו תכונה להתכווץ עם עליית הטמפרטורה (או להתרחב בעת קירור). ביסמוט, גליום, סיליקון ואנטימון יכולים גם הם "להתפאר" בהתנהגות דומה. עם זאת, בשל המבנה הפנימי המורכב יותר, כמו גם שכיחותם וחשיבותם בתהליכים שונים, מדובר במים שמושכים את תשומת ליבם של מדענים (ראה מחקר המבנה של מים ממשיך, "אלמנטים", 09.10.2006).

לפני זמן מה התיאוריה המקובלת העונה על השאלה מדוע מים מגדילים את נפחם עם ירידה בטמפרטורה (איור 1) הייתה המודל של תערובת של שני מרכיבים - "רגילים" ו"דמויי קרח ". תיאוריה זו הוצעה לראשונה במאה ה -19 על ידי הרולד וויטינג ומאוחר יותר פותחה ושוכללה על ידי מדענים רבים. לאחרונה, במסגרת הפולימורפיזם של מים שהתגלה, הוחשבה מחדש התיאוריה של וויטינג. מעתה ואילך, מאמינים שיש שני סוגים של ננו-דומינים קרח במים מקוררים במיוחד: אזורים דומים לקרח אמורפי בצפיפות גבוהה ונמוכה. חימום מים מקוררים-על מוביל להמסתם של ננו-מבנים אלו ולהופעתם של שני סוגי מים: עם צפיפות גבוהה ונמוכה יותר. תחרות טמפרטורה מסובכת בין שני "מיני" המים המתקבלים מייצרת תלות לא מונוטונית של צפיפות בטמפרטורה. עם זאת, תיאוריה זו טרם אושרה בניסוי.

יש להיזהר בהסבר זה. לא במקרה מדברים כאן רק על מבנים הדומים לקרח אמורפי. העניין הוא שלאזורים הננוסקופיים של קרח אמורפי ולאנלוגים המקרוסקופיים שלו יש פרמטרים פיזיקליים שונים.

הפיזיקאי היפני Masakazu Matsumoto החליט למצוא הסבר להשפעה הנדונה כאן מאפס, תוך השלכת התיאוריה של תערובת דו-רכיבית. באמצעות הדמיות מחשב הוא בחן את התכונות הפיזיקליות של מים בטווח טמפרטורות רחב - בין 200 ל -360 K בלחץ אפס, כדי לגלות בקנה מידה מולקולרי את הסיבות האמיתיות להתפשטות המים כשהם מתקררים. המאמר שלו ב- Physical Review Letters נקרא מדוע המים מתרחבים כשהם מתקררים? ("מדוע מים מתרחבים כשהם מתקררים?").

בתחילה שאל מחבר המאמר את השאלה: מה משפיע על מקדם ההתפשטות התרמית של המים? מאטסומוטו סבור כי לשם כך די בבירור השפעתם של שלושה גורמים בלבד: 1) שינויים באורך קשרי מימן בין מולקולות מים, 2) אינדקס טופולוגי - מספר הקשרים למולקולת מים, ו -3) סטיית הזווית בין קשרים לערך שיווי המשקל (עיוות זוויתי).

דמות: 2. הכי נוח שמולקולות מים מתאחדות באשכולות שזווית בין קשרי מימן שווה 109.47 מעלות. זווית כזו נקראת טטרהדרלית מכיוון שהיא הזווית המחברת את מרכז הטטרהדרר רגיל ושני קודקודיו. ציור מהאתר lsbu.ac.uk

לפני שנדבר על התוצאות שהשיג הפיזיקאי היפני, הבה נעיר הערות והבהרות חשובות לגבי שלושת הגורמים הנ"ל. ראשית, הנוסחה הכימית הרגילה של מים H 2 O מתאימה רק למצב האדים שלהם. בצורה נוזלית, מולקולות מים מאוחדות על ידי קשרי מימן לקבוצות x (H 2 O), כאשר x הוא מספר המולקולות. השילוב החיובי ביותר מבחינה אנרגטית של חמש מולקולות מים (x \u003d 5) עם ארבע קשרי מימן, בהן הקשרים יוצרים שיווי משקל, מה שמכונה זווית טטרהדרלית, השווה ל 109.47 מעלות (ראה איור 2).

לאחר ניתוח התלות של אורך קשר מימן בין מולקולות מים לטמפרטורה, הגיע מצומוטו למסקנה הצפויה: עלייה בטמפרטורה מולידה התארכות ליניארית של קשרי מימן. וזה בתורו מוביל לגידול בנפח המים, כלומר להרחבתם. עובדה זו סותרת את התוצאות הנצפות, לפיכך, בהמשך לכך הוא שקל את השפעתו של הגורם השני. כיצד מקדם ההתרחבות התרמית תלוי במדד הטופולוגי?

הדמיית מחשבים נתנה את התוצאה הבאה. בטמפרטורות נמוכות, נפח המים הגדול ביותר באחוזים תפוס על ידי אשכולות מים, בהם ישנם 4 קשרי מימן למולקולה (אינדקס טופולוגי הוא 4). עלייה בטמפרטורה גורמת לירידה במספר המקשרים לאינדקס 4, אך יחד עם זאת, מספר האשכולות עם המדדים 3 ו -5 מתחיל לגדול. לאחר ביצוע חישובים מספריים מצא מצומוטו כי נפח האשכולות המקומי עם אינדקס טופולוגי 4 כמעט אינו משתנה עם עליית הטמפרטורה, ושינוי בהיקף הכולל של מקורבים. עם מדדים 3 ו -5 בכל טמפרטורה מפצים זה את זה. כתוצאה מכך, שינוי בטמפרטורה אינו משנה את נפח המים הכולל, מה שאומר שלמדד הטופולוגי אין כל השפעה על דחיסת המים בעת חימוםם.

נותר להבהיר את ההשפעה של עיוות זוויתי של קשרי מימן. וכאן מתחיל הכי מעניין וחשוב. כאמור לעיל, מולקולות מים נוטות להתאחד כך שהזווית בין קשרי מימן תהיה טטרהדרלית. עם זאת, תנודות תרמיות של מולקולות מים ואינטראקציות עם מולקולות אחרות שאינן כלולות באשכול מונעות מהן לעשות זאת, וסטות את הערך של זווית קשרי המימן מערך שיווי המשקל של 109.47 מעלות. כדי לאפיין באופן כמותי את תהליך זה של דפורמציה זוויתית, השמיעו מאטסומוטו ועמיתיו, על בסיס עבודתם הקודמת, אבני בניין טופולוגיות של רשת קשרי מימן במים, שפורסמה בשנת 2007 בכתב העת Journal of Chemical Physics, על קיומם של מיקרו-מבנים תלת מימדיים במים, המזכירים זאת. פולידררה חלולה קמורה. מאוחר יותר, בפרסומים הבאים, הם קראו למיקרו-מבנים כאלה ויטריטים (איור 3). בהם הקודקודים הם מולקולות מים, את תפקיד הקצוות ממלאים קשרי מימן, והזווית בין קשרי המימן היא הזווית בין הקצוות בוויטריט.

על פי התיאוריה של מצומוטו, קיים מגוון עצום של צורות ויטריטים, אשר, כמו אלמנטים של פסיפס, מהווים את מרבית מבנה המים אשר במקביל ממלאים באופן אחיד את כל נפחם.

דמות: 3. שישה ויטרינים אופייניים היוצרים את המבנה הפנימי של המים. הכדורים תואמים למולקולות מים, הקטעים בין הכדורים מייצגים קשרי מימן. ויטריטים מקיימים את משפט אוילר הידוע לפולידררה: המספר הכולל של קודקודים ופנים מינוס מספר הקצוות הוא 2. משמעות הדבר היא כי ויטריטים הם פולי-קדרה קמורה. ניתן לראות סוגים אחרים של ויטריט באתר vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. דמות: מ Masakazu Matsumoto, Akinori Baba ו- Iwao Ohminea Network Motiv of Water, פורסם ב- AIP Conf. Proc.

מולקולות מים נוטות ליצור זוויות טטראדרי בזגוגיות, מכיוון שוויטריטים חייבים להיות בעלי אנרגיה הנמוכה ביותר האפשרית. עם זאת, עקב תנועות תרמיות ואינטראקציות מקומיות עם ויטריטים אחרים, לחלק מהמיקרו-מבנים אין גיאומטריה עם זוויות טטראדרי (או זוויות קרובות לערך זה). הם מקבלים תצורות מבניות חסרות שיווי משקל כל כך (שאינן החיוביות ביותר מבחינתם האנרגטית), המאפשרות לכל "משפחת" ויטרינים בכללותה לקבל את ערך האנרגיה הנמוך ביותר מבין האפשריים. ויטריטים כאלה, כלומר ויטריפים שכביכול מקריבים את עצמם ל"אינטרסים משותפים של אנרגיה "נקראים מתוסכלים. בעוד שלוויטריטים שאינם מתוסכלים יש נפח חלל מקסימלי בטמפרטורה נתונה, ויטריטים מתוסכלים, להיפך, הם בעלי נפח מינימלי ככל האפשר.

סימולציה ממוחשבת שביצעה מטסומוטו הראתה שהנפח הממוצע של חללי ויטריט יורד באופן ליניארי עם עליית הטמפרטורה. יחד עם זאת, ויטריטים מתוסכלים מפחיתים משמעותית את נפחם, בעוד שנפח חלל הויטריטים הלא מתוסכל נותר כמעט ללא שינוי.

לכן, דחיסת מים עם עליית טמפרטורה נגרמת על ידי שתי השפעות מתחרות - התארכות קשרי מימן, מה שמוביל לעלייה בנפח המים, ולירידה בנפח חללי ויטריטים מתוסכלים. בטווח הטמפרטורות שבין 0 ל -4 מעלות צלזיוס, התופעה האחרונה, כפי שמוצג בחישובים, שוררת, מה שמוביל בסופו של דבר לדחיסה שנצפתה של מים בטמפרטורה עולה.

נותר לחכות לאישור הניסוי על קיומם של ויטרינים והתנהגותם. אבל זו, אבוי, משימה קשה מאוד.

האם זה מתרחב או מתכווץ? התשובה היא כדלקמן: עם בוא החורף, המים מתחילים את תהליך התפשטותם. למה זה קורה? מאפיין זה גורם למים לבלוט ברשימת כל הנוזלים והגזים האחרים, אשר להיפך, הם דחוסים בקירור. מה הסיבה להתנהגות נוזלית יוצאת דופן זו?

כיתה ג 'בפיסיקה: האם מים מתרחבים או מתכווצים כשהם קופאים?

רוב החומרים והחומרים מתרחבים כשמחממים ומתכווצים כשקוררים אותם. גזים מראים השפעה זו באופן בולט יותר, אך נוזלים שונים ומתכות מוצקות מציגים את אותם תכונות.

אחת הדוגמאות הבולטות ביותר להתרחבות והתכווצות של גז היא אוויר בבלון. כשאנחנו מוציאים בלון החוצה במזג אוויר נמוך מאפס, הבלון מיד יורד בגודלו. אם אנו מכניסים את הכדור לחדר מחומם, אז הוא מיד עולה. אבל אם נכניס בלון לאמבטיה הוא יתפוצץ.

מולקולות מים דורשות יותר מקום

הסיבה שתהליכי התרחבות והתכווצות של חומרים שונים מתרחשים הן מולקולות. אלה שמקבלים יותר אנרגיה (זה קורה בחדר חם) נעים הרבה יותר מהר ממולקולות בחדר קר. חלקיקים שיש להם יותר אנרגיה מתנגשים באופן הרבה יותר פעיל ולעתים קרובות יותר, הם זקוקים ליותר מקום כדי לנוע. על מנת להכיל את הלחץ המופעל על ידי המולקולות, החומר מתחיל לגדול בגודלו. יתר על כן, זה קורה די מהר. אז האם מים מתרחבים או מתכווצים כשהם קופאים? למה זה קורה?

מים אינם מצייתים לכללים אלה. אם אנו מתחילים לקרר מים עד ארבע מעלות צלזיוס, אז זה מקטין את נפחם. אבל אם הטמפרטורה ממשיכה לרדת, אז המים מתחילים פתאום להתרחב! יש מאפיין כזה כמו אנומליה של צפיפות מים. מאפיין זה מתרחש בטמפרטורה של ארבע מעלות צלזיוס.

כעת לאחר שהבנו האם מים מתרחבים או מתכווצים כאשר הם קופאים, בואו נגלה כיצד חריגה זו מתרחשת בפועל. הסיבה נעוצה בחלקיקים מהם הוא מורכב. מולקולת מים מורכבת משני אטומי מימן וחמצן אחד. כולם מכירים את נוסחת המים מאז בית הספר היסודי. האטומים במולקולה זו מושכים אלקטרונים בדרכים שונות. מימן יוצר מרכז כובד חיובי, ואילו לחמצן, להפך, ישנו שלילי. כאשר מולקולות מים מתנגשות זו בזו, אטומי המימן של מולקולה אחת מועברים לאטום החמצן של מולקולה שונה לחלוטין. תופעה זו נקראת קשירת מימן.

מים זקוקים ליותר מקום כשהם מתקררים

ברגע בו מתחיל תהליך היווצרות קשרי מימן, מקומות מתחילים להופיע במים בהם המולקולות באותה הסדר כמו בגביש הקרח. החסר הזה נקרא אשכולות. הם אינם חזקים כמו בגביש מים מוצק. כאשר הטמפרטורה עולה, הם מתקלקלים ומשנים את מיקומם.

במהלך התהליך מספר האשכולות בנוזל מתחיל לגדול במהירות. הם דורשים התפשטות רבה יותר, וכתוצאה מכך המים גדלים בגודלם לאחר שהגיעו לצפיפות החריגה שלהם.

כאשר המדחום נופל מתחת לאפס, האשכולות מתחילים להפוך לגבישי קרח זעירים. הם מתחילים לטפס למעלה. כתוצאה מכל אלה, מים הופכים לקרח. זו יכולת חריגה מאוד של מים. תופעה זו הכרחית למספר גדול מאוד של תהליכים בטבע. כולנו יודעים, ואם אנחנו לא יודעים, אז אנחנו זוכרים שצפיפות הקרח מעט פחותה מזו של מים קרים או קרים. זה מאפשר לקרח לצוף על פני המים. כל המאגרים מתחילים לקפוא מלמעלה למטה, מה שמאפשר לתושבי המים לחיות בשלום ולא לקפוא בתחתית. אז, עכשיו אנחנו יודעים בפירוט אם מים מתרחבים או מתכווצים כשהם קופאים.

מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים. אם ניקח שתי כוסות זהות ונשפוך מים חמים לאחת, וכמות זהה של מים קרים בשנייה, נבחין כי מים חמים קופאים מהר יותר ממים קרים. זה לא הגיוני, מסכים? מים חמים צריכים להתקרר כדי להתחיל לקפוא, אבל מים קרים לא. איך להסביר עובדה זו? מדענים עד היום לא יכולים להסביר את המסתורין הזה. תופעה זו מכונה "אפקט ממפבה". הוא התגלה בשנת 1963 על ידי מדען מטנזניה בשילוב יוצא דופן של נסיבות. סטודנט רצה להכין לעצמו גלידה והבחין כי מים חמים קופאים מהר יותר. הוא חלק זאת עם המורה שלו לפיזיקה, שבתחילה לא האמין לו.

לשאלה מדוע המים מתרחבים בנפח במהלך הקירור, כאשר חומרים אחרים מתכווצים במהלך הקירור? ניתן על ידי המחבר פאבל אנופריב התשובה הטובה ביותר היא בזמן הקירור, מים מתנהגים בתחילה כמו תרכובות רבות אחרות: הם הופכים בהדרגה לצפופים יותר - הם מקטינים את נפחם הספציפי. אבל ב -4 מעלות צלזיוס (ליתר דיוק, ב -3.98 מעלות צלזיוס), מתרחש מצב משבר - ארגון מחדש מבני, ועם ירידה נוספת בטמפרטורה, נפח המים כבר לא פוחת אלא גדל. כאשר הם מקוררים בתנאים רגילים מתחת ל- 0 מעלות צלזיוס, המים מתגבשים ויוצרים קרח שצפיפותם פחותה ונפחם גדול כמעט בכ- 10% מנפח המים המקוריים.
הגידול בנפח מוסבר בכך שכל מולקולה במבנה הקרח קשורה למימן לארבע מולקולות אחרות. כתוצאה מכך נוצר בשלב הקרח מבנה פתוח עם "חללים" בין מולקולות מים קבועות, הגורם להתרחבות משמעותית של כל המסה הקפואה. מבנה הקריסטל של הקרח דומה למבנה היהלום: כל מולקולת H2O מוקפת בארבע מולקולות הקרובות אליו המשתתפות ביצירת קשר מימן וממוקמת במרחקים שווים ממנו, שווה ל- 2.76 אנגסטרום וממוקמת בקודקודים של טטרהדרון רגיל בזוויות השוות ל -109 ° 28 "( בשל מספר התיאום הנמוך, מבנה הקרח הוא רשתית, המשפיע על צפיפותו הנמוכה. המבנה הפתוח של הקרח מוביל לעובדה שצפיפותו, השווה 916.7 ק"ג / מ"ק ב- 0 מעלות צלזיוס, נמוכה מצפיפות המים ( 999.8 ק"ג / מ"ק) באותה טמפרטורה.
לכן, מים, שהופכים לקרח, מגדילים את נפחם בכ- 9%:

בתהליך ההיתוך, ב -0 מעלות צלזיוס, כ-10-15% מהמים מאבדים את קשריהם עם תרכובות, כתוצאה מכך הניידות של חלק מהמולקולות גוברת, והם שוקעים בחללים העשירים במבנה הקרח הפתוח. זה מסביר את דחיסת הקרח במהלך ההיתוך ואת הצפיפות הגבוהה יותר של המים הנוצרים, שעולה בכ -10%. ניתן להניח שערך זה באופן מסוים מאפיין את מספר מולקולות המים הכלואות בחלל. צפיפות המים הנוצרים מגיעה למקסימום בטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס, ועם עלייה נוספת בטמפרטורה, ההתרחבות הסדירה של המים הקשורה לעלייה בתנועה המולקולרית חורגת מהשפעת הסידור המבני "מי קרח", וצפיפות המים מתחילה לרדת בהדרגה.

תשובה מאת 2 תשובות[גורו]

שלום! להלן מבחר נושאים עם תשובות לשאלתך: מדוע המים מתרחבים בנפח כאשר הם מקוררים, כאשר חומרים אחרים מתכווצים בעת קירורם?

תשובה מאת פלייסר[מתחיל]
מים אינם מתרחבים כשהם מקוררים. רק לאחר שהמים מתקשים והופכים לקרח, רק אחר כך נפחם יגדל, בגלל הגדלת המרחק בין מולקולות מים.

תשובה מאת מייק טיארוף[גורו]
מים דחוסים גם ... השאלה מוצגת באופן שגוי. ... מים מתכווצים ל -4 מעלות ואז מתרחבים ... זה נקרא מעבר פאזה, ובמהלך מעברים כאלה חומרים מתנהגים בדרכים בלתי נתפסות לחלוטין ... כשמחממים אותה ל 100 מעלות מתרחשת התפשטות, ומעל הטמפרטורה לא זוכה, אך מתרחש מעבר לאדים - גם מעבר פאזה ... קשרים בין מולקולות רוכשים תכונות אחרות - התגבשות מתחילה במים ...