Ką veikia vanduo atvėsęs. Kas nutinka vandeniui, kai jis įkaista
Mes esame apsupti vandens, savaime, kitų medžiagų ir kūnų sudėtyje. Jis gali būti kietas, skystas ar dujinis, tačiau aplink mus visada yra vanduo. Kodėl plyšta asfaltas keliuose, kodėl stiklinis vandens indas plyšta šaltyje, kodėl šaltuoju metų laiku rūko langai, kodėl lėktuvas danguje palieka baltą pėdsaką - į visus šiuos ir kitus „kodėl“ ieškosime atsakymų šioje pamokoje. Sužinosime, kaip keičiasi vandens savybės kaitinant, vėsinant ir užšaldant, kaip formuojasi požeminiai urvai ir keistos figūros juose, kaip veikia termometras.
Tema: negyvoji gamta
Pamoka: Skysto vandens savybės
Gryna forma vanduo neturi nei skonio, nei kvapo, nei spalvos, tačiau taip beveik niekada nebūna, nes jis aktyviai ištirpdo daugumą medžiagų savyje ir susijungia su jų dalelėmis. Taip pat vanduo gali prasiskverbti į įvairius telkinius (mokslininkai rado vandens net akmenyse).
Jei imsite vandentiekio vandenį į stiklinę, jis atrodys švarus. Bet iš tikrųjų tai yra daugelio medžiagų tirpalas, tarp kurių yra dujų (deguonies, argono, azoto, anglies dioksido), įvairių oro priemaišų, ištirpusių druskų iš dirvožemio, geležies iš vandens vamzdžių, mažiausių neištirpusių dulkių dalelių ir kt.
Jei pipete užlašinsite vandentiekio vandens lašą ant švaraus stiklo ir leisite jam išgaruoti, liks subtilių dėmių.
Daugelio ežerų upių ir upelių vandenyje yra įvairių priemaišų, pavyzdžiui, ištirpusių druskų. Bet jų yra nedaug, nes šis vanduo yra gaivus.
Vanduo teka sausumoje ir po žeme, užpildo upelius, ežerus, upes, jūras ir vandenynus, sukuria požeminius rūmus.
Važiuodamas per lengvai tirpstančias medžiagas, vanduo įsiskverbia giliai į žemę, pasiimdamas jas su savimi, ir per uolų plyšius ir įtrūkimus, formuodamas požeminius urvus, laša iš jų skliautų, kurdamas keistas skulptūras. Milijardai vandens lašelių išgaruoja per šimtus metų, o vandenyje ištirpusios medžiagos (druskos, kalkakmeniai) nusėda ant olos skliautų, susidaro akmens varvekliai, vadinami stalaktitais.
Panašūs dariniai ant urvo grindų vadinami stalagmitais.
Ir kai stalaktitas ir stalagmitas auga kartu, formuodami akmeninę koloną, jis vadinamas stalagnu.
Stebėdami ledo dreifą upėje, matome vandenį kietame (lede ir sniege), skystame (tekančiame po juo) ir dujiniame būvyje (mažiausios į orą kylančios vandens dalelės, kurios dar vadinamos vandens garais).
Vanduo vienu metu gali būti visose trijose būsenose: ore ir debesyse visada yra vandens garų, kurie susideda iš vandens lašelių ir ledo kristalų.
Vandens garai nematomi, tačiau juos galima lengvai aptikti, jei valandai šaldytuve atvėsintą stiklinę vandens paliksite šiltoje patalpoje, ant kurios sienų iškart atsiranda vandens lašeliai. Susilietus su šaltomis stiklo sienelėmis, ore esantys vandens garai virsta vandens lašeliais ir nusėda ant stiklo paviršiaus.
Paveikslėlis: 11. Kondensatas ant šalto stiklo sienelių ()
Dėl tos pačios priežasties šaltuoju metų laiku rūko vidinė lango stiklo dalis. Šaltame ore negali būti tiek vandens garų, kiek šiltame ore, todėl dalis jo kondensuojasi - virsta vandens lašeliais.
Baltas takas už danguje skriejančio lėktuvo taip pat yra vandens kondensato rezultatas.
Jei atnešite veidrodį į lūpas ir iškvėpsite, ant jo paviršiaus liks mažiausi vandens lašeliai, tai įrodo, kad kvėpuodamas žmogus įkvepia vandens garų su oru.
Kaitinant vanduo „išsiplečia“. Tai galima įrodyti paprastu eksperimentu: stiklinis vamzdelis buvo nuleistas į kolbą su vandeniu ir išmatuotas jame esantis vandens lygis; tada kolba buvo nuleista į indą su šiltu vandeniu ir, pašildžius vandenį, pakartotinai išmatuotas lygis mėgintuvėlyje, kuris pastebimai pakilo, nes kaitinant vandens tūris padidėjo.
Paveikslėlis: 14. Kolba su vamzdeliu, 1 numeris ir brūkšnys, nurodo pradinį vandens lygį
Paveikslėlis: 15. Kolba su mėgintuvėliu, 2 numeriu ir brūkšneliu, rodo vandens lygį kaitinant
Atvėsęs vanduo „suslegiamas“. Tai galima įrodyti panašiu eksperimentu: šiuo atveju kolba su mėgintuvėliu buvo nuleista į indą su ledu; atvėsus, vandens lygis vamzdyje sumažėjo, palyginti su pradiniu ženklu, nes vandens tūris sumažėjo.
Paveikslėlis: 16. Kolba su vamzdeliu, 3 numeris ir brūkšnys, rodo vandens lygį aušinant
Taip atsitinka todėl, kad vandens dalelės, molekulės, kaitindamos, juda greičiau, susiduria viena su kita, atstumia nuo indo sienelių, atstumas tarp molekulių padidėja, todėl skystis užima didesnį tūrį. Vandeniui atvėsus, sulėtėja jo dalelių judėjimas, sumažėja atstumas tarp molekulių, o skysčiui reikia mažesnio tūrio.
Paveikslėlis: 17. Įprastos temperatūros vandens molekulės
Paveikslėlis: 18. Vandens molekulės kaitinant
Paveikslėlis: 19. Aušinamos vandens molekulės
Šias savybes turi ne tik vanduo, bet ir kiti skysčiai (alkoholis, gyvsidabris, benzinas, žibalas).
Žinios apie šią skysčių savybę leido išrasti termometrą (termometrą), kuriame naudojamas alkoholis ar gyvsidabris.
Užšalus vanduo išsiplečia. Tai galima įrodyti, jei iki galo vandeniu pripildyta talpykla yra laisvai uždengta dangčiu ir dedama į šaldiklį, po kurio laiko pamatysime, kad susidaręs ledas pakels dangtį, eidamas iš indo.
Į šią savybę atsižvelgiama klojant vandentiekio vamzdžius, kurie turi būti izoliuoti, kad nuo vandens susidaręs ledas užšaldamas nelaužytų vamzdžių.
Gamtoje užšalęs vanduo gali sunaikinti kalnus: jei rudenį vanduo kaupiasi uolų plyšiuose, žiemą jis užšąla ir spaudžiamas ledo, kuris užima didesnį tūrį nei vanduo, iš kurio jis susidarė, uolienos plyšta ir griūva.
Kelių įtrūkimuose užšalęs vanduo lemia asfalto dangos sunaikinimą.
Ilgos keteros, panašios į raukšles ant medžių kamienų, yra medienos lūžių žaizdos, spaudžiamos jame užšąlančių medžių sulčių. Todėl šaltomis žiemomis parke ar miške galima išgirsti medžių spragsėjimą.
- Vakhrushev A.A., Danilov D.D. Mus supantis pasaulis 3. M.: Ballas.
- Dmitrieva N.Ya, Kazakovas A.N. Mus supantis pasaulis 3. M.: Leidykla „Fedorov“.
- Pleshakovas A.A. Aplinkinis pasaulis 3. M.: Švietimas.
- Pedagoginių idėjų festivalis ().
- Mokslas ir švietimas ().
- Visuomenės klasė ().
- Atlikite trumpą testą (4 klausimai su 3 galimais atsakymais) tema „Vanduo aplink mus“.
- Išbandykite nedidelį eksperimentą: padėkite stiklinę labai šalto vandens ant stalo šiltame kambaryje. Apibūdinkite, kas nutiks, paaiškinkite, kodėl.
- * Nubrėžkite vandens molekulių judėjimą kaitinant, normaliai ir atvėsus. Jei reikia, pažymėkite piešinį etiketėmis.
Karšto vandens šildymo sistemose vanduo naudojamas perduoti šilumą iš jo generatoriaus vartotojui.
Svarbiausios vandens savybės yra šios:
šilumos talpa;
kaitos ir aušinimo tūrio pokytis;
virimo charakteristikos su išorinio slėgio pokyčiais;
kavitacija.
Apsvarstykite šias fizines vandens savybes.
Specifinė šiluma
Svarbi bet kurio šilumnešio savybė yra jo šiluminė talpa. Jei tai išreiškiame aušinimo skysčio mase ir temperatūrų skirtumu, gauname savitąją šilumos talpą. Tai rodo laiškas c ir turi dimensiją kJ / (kg K)
Specifinė šiluma yra šilumos kiekis, kuris turi būti perduotas 1 kg medžiagos (pvz., vandens), kad ji sušiltų 1 ° C temperatūroje. Ir atvirkščiai, medžiaga atvėsusi atiduoda tą patį energijos kiekį. Vidutinė savitoji vandens šiluma nuo 0 ° C iki 100 ° C yra:
c \u003d 4,19 kJ / (kg K) arba c \u003d 1,16 Wh / (kg K)
Sugertos ar susidariusios šilumos kiekis Klausimasišreikštas Dž arba kj, priklauso nuo masės mišreikštas kilogramas, specifinė šiluma c ir temperatūrų skirtumas, išreikštas K..
Tūrio padidėjimas ir sumažėjimas
Visos natūralios medžiagos kaitinantis išsiplečia, o atvėsusios susitraukia. Vienintelė šios taisyklės išimtis yra vanduo. Ši unikali savybė vadinama vandens anomalija. Didžiausias vandens tankis esant +4 ° C temperatūrai, kai 1 dm3 \u003d 1 litras turi 1 kg masę.
Jei aplink šį tašką vanduo yra kaitinamas arba atvėsinamas, jo tūris padidėja, o tai reiškia tankio sumažėjimą, tai yra, vanduo tampa lengvesnis. Tai aiškiai matyti iš rezervuaro su perpildymo tašku pavyzdžio. Talpykloje yra tiksliai 1000 cm3 vandens, kurio temperatūra +4 ° C. Kai vanduo pašildomas, kai kurie iš rezervuaro liejasi į matavimo indą. Jei vanduo pašildomas iki 90 ° C, į matavimo indą supilama tiksliai 35,95 cm3, tai atitinka 34,7 g. Vanduo taip pat išsiplečia atvėsus žemiau +4 ° C.
Dėl šios vandens anomalijos prie upių ir ežerų žiemą užšąla viršutinis sluoksnis. Dėl tos pačios priežasties ledas plūduriuoja paviršiuje, o pavasario saulė gali jį ištirpdyti. To nebūtų atsitikę, jei ledas būtų sunkesnis už vandenį ir nugrimztų į dugną.
Perpildymo taško rezervuaras
Tačiau toks besiplečiantis turtas gali būti pavojingas. Pavyzdžiui, automobilių varikliai ir vandens siurbliai gali sprogti, jei juose užšąla vanduo. Norėdami to išvengti, į vandenį dedama priedų, kad jis neužšaltų. Glikoliai dažnai naudojami šildymo sistemose; žr. gamintojo nurodytą vandens ir glikolio santykį.
Verdančio vandens charakteristikos
Jei vanduo kaitinamas atviroje talpykloje, jis užvirs 100 ° C temperatūroje. Jei matuojate verdančio vandens temperatūrą, paaiškėja, kad ji išlieka 100 ° C, kol paskutinis lašas išgaruoja. Taigi pastovus šilumos suvartojimas naudojamas visiškam vandens išgaravimui, tai yra jo agregacijos būsenos pokyčiams.
Ši energija taip pat vadinama latentine (latentine) šiluma. Jei šiluma ir toliau teka, sukurtų garų temperatūra vėl pakils.
Aprašytas procesas atliekamas esant 101,3 kPa oro slėgiui vandens paviršiuje. Esant bet kokiam kitam oro slėgiui, vandens virimo temperatūra pasikeičia nuo 100 ° C.
Jei pakartotume aprašytą eksperimentą 3000 m aukštyje - pavyzdžiui, ant aukščiausios Vokietijos viršukalnės Zugspitze - pastebėtume, kad vanduo ten verda jau 90 ° C temperatūroje. Tokio elgesio priežastis yra atmosferos slėgio sumažėjimas priklausomai nuo aukščio.
Kuo mažesnis vandens paviršiaus slėgis, tuo žemesnė bus virimo temperatūra. Ir atvirkščiai, virimo temperatūra bus aukštesnė, didėjant slėgiui ant vandens paviršiaus. Ši savybė naudojama, pavyzdžiui, greitpuodžiuose.
Grafike parodyta vandens virimo taško priklausomybė nuo slėgio. Šildymo sistemoms daromas sąmoningas slėgis. Tai padeda išvengti dujų burbuliukų susidarymo kritinėmis eksploatavimo sąlygomis ir apsaugo išorinį orą nuo sistemos patekimo.
Vandens išsiplėtimas kaitinant ir apsauga nuo viršslėgio
Karšto vandens šildymo sistemos veikia iki 90 ° C vandens temperatūroje. Paprastai sistema užpildoma 15 ° C temperatūros vandeniu, kuris pašildomas išsiplečia. Negalima leisti, kad dėl tokio tūrio padidėjimo atsirastų per didelis slėgis ir perpildymas.
Vasarą išjungus šildymą, vandens tūris grįžta į pradinę vertę. Todėl, norint užtikrinti netrukdomą vandens išsiplėtimą, turi būti įrengtas pakankamai didelis rezervuaras.
Senesnėse šildymo sistemose buvo atidarytos išsiplėtimo talpos. Jie visada buvo virš aukščiausios dujotiekio atkarpos. Padidėjus temperatūrai sistemoje, dėl kurios išsiplėtė vanduo, padidėjo ir bako lygis. Sumažėjus temperatūrai, ji atitinkamai sumažėjo.
Šiuolaikinėse šildymo sistemose naudojami membraniniai išsiplėtimo bakai (MRB). Kai slėgis sistemoje padidėja, vamzdynuose ir kituose sistemos elementuose slėgio negalima viršyti ribinės vertės.
Todėl apsauginis vožtuvas yra būtina sąlyga kiekvienai šildymo sistemai.
Kai slėgis pakyla virš normos, apsauginis vožtuvas turi atsidaryti ir nukraujuoti perteklinį vandens kiekį, kurio išsiplėtimo bakas negali sutalpinti. Tačiau kruopščiai suprojektuotoje ir prižiūrimoje sistemoje ši kritinė būklė niekada neturėtų atsirasti.
Visuose šiuose argumentuose neatsižvelgiama į tai, kad cirkuliacinis siurblys dar labiau padidina slėgį sistemoje. Turi būti kruopščiai nustatytas santykis tarp siurblio pasirinktos maksimalios vandens temperatūros, išsiplėtimo indo dydžio ir apsauginio vožtuvo atidarymo slėgio. Atsitiktinis sistemos elementų pasirinkimas - net ir atsižvelgiant į jų kainą - šiuo atveju yra nepriimtinas.
Diafragmos išsiplėtimo indas tiekiamas užpildytas azotu. Pradinis slėgis membranos išsiplėtimo inde turi būti sureguliuotas, atsižvelgiant į šildymo sistemą. Iš šildymo sistemos besiplečiantis vanduo patenka į rezervuarą ir per diafragmą suspaudžia dujų kamerą. Dujos gali būti suspaustos, bet skysčiai - ne.
Slėgis
Slėgio nustatymas
Slėgis yra statinis skysčių ir dujų slėgis, matuojamas induose, vamzdynuose, palyginti su atmosferos slėgiu (Pa, mbar, bar).
Statinis slėgis
Statinis slėgis yra nejudančio skysčio slėgis.
Statinis slėgis \u003d lygis virš atitinkamo matavimo taško + pradinis slėgis išsiplėtimo inde.
Dinaminis slėgis
Dinaminis slėgis yra judančios skysčio srovės slėgis. Siurblio išleidimo slėgis Tai yra slėgis išcentrinio siurblio išleidimo angoje veikiant.
Slėgio kritimas
Išcentrinio siurblio sukurtas slėgis siekiant įveikti bendrą sistemos atsparumą. Jis matuojamas tarp išcentrinio siurblio įleidimo ir išleidimo angų.
Darbinis slėgis
Slėgis sistemoje, kai siurblys veikia. Leistinas darbinis slėgis Didžiausia darbinio slėgio vertė, kurią leidžiama naudoti atsižvelgiant į siurblio ir sistemos saugos sąlygas.
Kavitacija
Kavitacija yra dujų burbuliukų susidarymas, atsiradus vietiniam slėgiui žemiau pumpuojamo skysčio garavimo slėgio sparnuotės įleidimo angoje. Tai sumažina našumą (galvą) ir efektyvumą, sukelia triukšmą ir sunaikina siurblio vidinių dalių medžiagą. Dėl oro burbuliukų žlugimo aukštesnio slėgio vietose (pavyzdžiui, sparnuotės išleidimo angoje) mikroskopiniai sprogimai sukelia slėgio šuolius, kurie gali sugadinti arba sugadinti hidraulinę sistemą. Pirmasis to požymis yra sparnuotės triukšmas ir erozija.
Svarbus išcentrinio siurblio parametras yra NPSH (skysčio galvutė virš siurblio įsiurbimo angos). Jis apibrėžia minimalų siurblio įleidimo slėgį, kurio tam tikram siurblio tipui reikia veikti be kavitacijos, t. Y. Papildomą slėgį, reikalingą burbuliukų susidarymui išvengti. NPSH reikšmę įtakoja sparnuotės tipas ir siurblio greitis. Išoriniai veiksniai, turintys įtakos šiam parametrui, yra skysčio temperatūra, atmosferos slėgis.
Kavitacijos prevencija
Norint išvengti kavitacijos, skystis turi patekti į išcentrinio siurblio įleidimo angą esant tam tikram minimaliam įsiurbimo kėlimui, kuris priklauso nuo temperatūros ir atmosferos slėgio.
Kiti kavitacijos prevencijos būdai yra šie:
Statinio slėgio kilimas
Skysčio temperatūros žeminimas (garų slėgio PD mažinimas)
Siurblio pasirinkimas su mažesniu pastoviu galvos slėgiu (mažiausia įsiurbimo galvutė, NPSH)
„Agrovodkom“ specialistai mielai padės jums nustatyti optimalų siurblio pasirinkimą. Susisiekite su mumis!
|
Aleksandras
2013-10-22 09:38:26
[Atsakyti] [Atsakyti su citata] [Atšaukti atsakymą]
|
Japonų fizikas Masakazu Matsumoto pateikė teoriją, paaiškinančią, kodėl vanduo, kaitinamas nuo 0 iki 4 ° C, susitraukia, o ne išsiplečia. Pagal jo modelį vandenyje yra mikrodarinių - „vitritų“, kurie yra išgaubti tuščiaviduriai daugiakampiai, kurių viršūnėse yra vandens molekulės, o vandenilio jungtys tarnauja kaip kraštai. Kylant temperatūrai, du reiškiniai konkuruoja tarpusavyje: vandenilio ryšių tarp vandens molekulių pailgėjimas ir vitrito deformacija, dėl ko sumažėja jų ertmės. Temperatūros intervale nuo 0 iki 3,98 ° C pastarasis reiškinys vyrauja pailgėjusių vandenilio jungčių poveikyje, kuris galiausiai suteikia pastebėtą vandens suspaudimą. Kol kas nėra eksperimentinio Matsumoto modelio patvirtinimo, tačiau taip pat kaip ir kitų vandens suspaudimą paaiškinančių teorijų.
Skirtingai nuo daugumos medžiagų, kaitinamas vanduo sugeba sumažinti savo tūrį (1 pav.), Tai yra, jo šiluminis plėtimosi koeficientas yra neigiamas. Tačiau mes kalbame ne apie visą temperatūros diapazoną, kuriame vanduo yra skystoje būsenoje, bet tik apie siaurą plotą - nuo 0 ° C iki maždaug 4 ° C. Esant aukštai temperatūrai, vanduo, kaip ir kitos medžiagos, plečiasi.
Beje, vanduo nėra vienintelė medžiaga, turinti savybę susitraukti didėjant temperatūrai (arba išsiplėsti atvėsus). Panašiu elgesiu taip pat gali „pasigirti“ bismutas, galis, silicis ir stibis. Nepaisant to, dėl sudėtingesnės vidinės struktūros, taip pat paplitimo ir svarbos įvairiuose procesuose, būtent vanduo pritraukia mokslininkų dėmesį (žr. „Vandens struktūros tyrimas tęsiamas“, „Elementai“, 2006 10 09).
Prieš kurį laiką visuotinai pripažinta teorija, atsakanti į klausimą, kodėl mažėjant temperatūrai vanduo didina savo tūrį (1 pav.), Buvo dviejų komponentų - „įprasto“ ir „į ledą panašaus“ - mišinio modelis. Šią teoriją XIX amžiuje pirmą kartą pasiūlė Haroldas Whitingas, vėliau ją išplėtojo ir patobulino daugelis mokslininkų. Visai neseniai, atrasto vandens polimorfizmo rėmuose, Whitingo teorija buvo permąstyta. Nuo šiol manoma, kad super aušintame vandenyje yra dviejų tipų į ledą panašūs nanodomenai: regionai, panašūs į didelio ir mažo tankio amorfinį ledą. Kaitinant pervėsintą vandenį, tirpsta šios nanostruktūros ir atsiranda dviejų rūšių vanduo: didesnio ir mažesnio tankio. Kebli temperatūrų konkurencija tarp dviejų susidariusių vandens rūšių sukelia monotonišką tankio priklausomybę nuo temperatūros. Tačiau ši teorija dar nėra patvirtinta eksperimentiškai.
Su šiuo paaiškinimu reikia būti atsargiam. Neatsitiktinai čia kalbama tik apie amorfinį ledą primenančias struktūras. Esmė ta, kad amorfinio ledo ir jo makroskopinių analogų nanoskopiniai regionai turi skirtingus fizinius parametrus.
Japonų fizikas Masakazu Matsumoto nusprendė čia paaiškinto poveikio paaiškinimą rasti nuo nulio, atsisakydamas dviejų komponentų mišinio teorijos. Naudodamas kompiuterines simuliacijas, jis ištyrė vandens fizines savybes plačiame temperatūros diapazone - nuo 200 iki 360 K esant nuliniam slėgiui, kad molekuliniu mastu išsiaiškintų tikrąsias vandens išsiplėtimo priežastis, kai jis atvėsta. Jo straipsnis „Physical Review Letters“ yra pavadintas „Kodėl vanduo išsiplečia atvėsęs? („Kodėl atvėsęs vanduo išsiplečia?“).
Iš pradžių straipsnio autorius uždavė klausimą: kas veikia vandens šiluminio plėtimosi koeficientą? Matsumoto mano, kad tam pakanka išsiaiškinti tik trijų veiksnių įtaką: 1) vandenilio ryšių tarp vandens molekulių ilgio pokyčiai, 2) topologinis indeksas - ryšių skaičius vandens molekulėje ir 3) kampo tarp jungčių nuokrypis nuo pusiausvyros vertės (kampinis iškraipymas).
Paveikslėlis: 2. Vandens molekulėms patogiausia jungtis į grupes, kurių kampas tarp vandenilio jungčių yra lygus 109,47 laipsniams. Toks kampas vadinamas tetraedriniu, nes tai yra kampas, jungiantis taisyklingojo tetraedro centrą ir dvi jo viršūnes. Piešinys iš svetainės lsbu.ac.uk
Prieš kalbėdami apie japonų fiziko gautus rezultatus, pateikime svarbias pastabas ir paaiškinimus apie minėtus tris veiksnius. Visų pirma, įprasta cheminė vandens formulė H 2 O atitinka tik jo garinę būseną. Skystoje formoje vandens molekules jungia vandenilio jungtys į (H 2 O) x grupes, kur x yra molekulių skaičius. Energetiškai palankiausias penkių vandens molekulių (x \u003d 5) su keturiomis vandenilio jungtimis derinys, kuriame jungtys sudaro pusiausvyrą, vadinamąjį tetraedrinį kampą, lygų 109,47 laipsniams (žr. 2 pav.).
Išanalizavęs vandenilio jungties tarp vandens molekulių ilgio priklausomybę nuo temperatūros, Matsumoto priėjo laukiamą išvadą: padidėjus temperatūrai, linijiškai ilgėja vandenilio jungtys. O tai savo ruožtu lemia vandens kiekio padidėjimą, tai yra, jo plėtrą. Šis faktas prieštarauja pastebėtiems rezultatams, todėl toliau svarstė antrojo veiksnio įtaką. Kaip šilumos plėtimosi koeficientas priklauso nuo topologinio indekso?
Kompiuterinis modeliavimas davė tokį rezultatą. Esant žemai temperatūrai, didžiausią vandens kiekį procentais užima vandens sankaupos, kurių molekulėje yra 4 vandenilio ryšiai (topologinis indeksas yra 4). Temperatūros padidėjimas sumažina asocijuotų asmenų skaičių su indeksu 4, tačiau tuo pačiu metu grupių, kurių indeksai yra 3 ir 5, skaičius pradeda didėti. Atlikęs skaitinius skaičiavimus, Matsumoto nustatė, kad vietinis klasterių, turinčių topologinį indeksą 4, tūris praktiškai nesikeičia, didėjant temperatūrai, o bendros asocijuotų asmenų apimties pokytis 3 ir 5 indeksais bet kurioje temperatūroje vienas kitą kompensuoja. Vadinasi, pasikeitus temperatūrai, bendras vandens tūris nesikeičia, o tai reiškia, kad topologinis indeksas neturi įtakos vandens suspaudimui, kai jis yra kaitinamas.
Belieka išsiaiškinti vandenilio ryšių kampinio iškraipymo poveikį. Ir čia prasideda įdomiausia ir svarbiausia. Kaip minėta aukščiau, vandens molekulės linkusios jungtis, todėl kampas tarp vandenilio jungčių yra tetraedrinis. Tačiau šiluminės vandens molekulių vibracijos ir sąveika su kitomis molekulėmis, kurios nėra įtrauktos į grupę, trukdo joms tai padaryti, vandenilio jungties kampo vertę nukrypstant nuo pusiausvyros vertės 109,47 laipsnio. Norėdami kažkaip kiekybiškai apibūdinti šį kampinės deformacijos procesą, Matsumoto ir jo kolegos, remdamiesi savo ankstesniu darbu „Vandenilio ryšių tinklo vandenyje topologiniai blokai“, paskelbti 2007 m. Žurnale „Cheminės fizikos žurnalas“, iškėlė hipotezę, kad yra trimatės vandenyje esančios mikrostruktūros, panašios į vandenį. išgaubta tuščiavidurė daugiakampė. Vėliau, vėlesniuose leidiniuose, jie tokias mikrostruktūras pavadino vitritais (3 pav.). Jose viršūnės yra vandens molekulės, kraštų vaidmenį atlieka vandenilio jungtys, o kampas tarp vandenilio jungčių yra kampas tarp kraštų vitrite.
Remiantis Matsumoto teorija, yra daugybė vitritų formų, kurios, kaip ir mozaikos elementai, sudaro didelę vandens struktūros dalį ir tuo pačiu tolygiai užpildo visą jo tūrį.
Paveikslėlis: 3. Šeši tipiniai vitritai, formuojantys vandens vidinę struktūrą. Kamuoliai atitinka vandens molekules, segmentai tarp rutulių atstovauja vandenilio jungtims. Vitritai tenkina gerai žinomą Eulerio daugiakampių teoremą: bendras viršūnių ir veidų skaičius, atėmus briaunų skaičių, yra 2. Tai reiškia, kad vitritai yra išgaubtos daugiakampės. Kitus vitrito tipus galima peržiūrėti adresu vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. Paveikslėlis: iš straipsnio Masakazu Matsumoto, Akinori Baba ir Iwao Ohminea tinklo vandens motyvas, paskelbtas AIP Conf. Proc.
Vandens molekulės paprastai sukuria tetraedrinius kampus vitrituose, nes vitritai turi turėti kuo mažesnę energiją. Tačiau dėl šiluminių judesių ir vietinės sąveikos su kitais vitritais kai kurios mikrostruktūros neturi geometrijos su tetraedriniais kampais (arba kampais, artimais šiai vertei). Jie priima tokias struktūriškai nesubalansuotas konfigūracijas (kurios jiems nėra palankiausios energetiniu požiūriu), leidžiančias visai vitritų „šeimai“ gauti mažiausią energinę vertę tarp galimų. Tokie vitritai, tai yra vitritai, kurie tarsi pasiaukoja „bendriems energetikos interesams“, vadinami nusivylusiais. Jei nenusivylę vitritai turi didžiausią ertmės tūrį esant tam tikrai temperatūrai, tai nusivylę vitritai, priešingai, turi mažiausią galimą tūrį.
Kompiuteriniai modeliai, kuriuos atliko Matsumoto, parodė, kad vidutinis vitrito ertmių tūris tiesiškai mažėja didėjant temperatūrai. Tuo pačiu metu nusivylę vitritai žymiai sumažina jų tūrį, o nenusivylusių vitritų ertmės tūris beveik nesikeičia.
Taigi, vandens suspaudimą didėjant temperatūrai lemia du konkuruojantys efektai - vandenilio ryšių pailgėjimas, dėl kurio padidėja vandens tūris ir sumažėja nusivylusių vitritų ertmių tūris. Temperatūros intervale nuo 0 iki 4 ° C vyrauja pastarasis reiškinys, kaip rodo skaičiavimai, kuris galiausiai lemia pastebėtą vandens suspaudimą didėjant temperatūrai.
Belieka laukti eksperimentinio patvirtinimo apie vitritų egzistavimą ir jų elgesį. Bet tai, deja, yra labai sunki užduotis.
Ar ji plečiasi, ar mažėja? Atsakymas yra toks: atėjus žiemai vanduo pradeda plėstis. Kodėl tai vyksta? Dėl šios savybės vanduo išsiskiria iš visų kitų skysčių ir dujų, kurie, priešingai, atvėsę suslegiami. Kokia šio neįprasto skysto elgesio priežastis?
3 fizikos klasė: ar vanduo išsišalęs išsiplečia ar susitraukia?
Dauguma medžiagų ir medžiagų išsiplėtė kaitindamos, o atvėsusios susitraukia. Dujos šį efektą parodo pastebimiau, tačiau įvairūs skysčiai ir kietieji metalai turi tas pačias savybes.
Vienas ryškiausių dujų išsiplėtimo ir susitraukimo pavyzdžių yra oras balione. Kai išnešame oro balioną į lauką esant minuso orui, balionas iškart sumažėja. Jei įnešame kamuolį į šildomą patalpą, tada jis iškart padidėja. Bet jei į vonią įnešime balioną, jis sprogs.
Vandens molekulėms reikia daugiau vietos
Priežastis, kad vyksta šie įvairių medžiagų plėtimosi ir susitraukimo procesai, yra molekulės. Tie, kurie gauna daugiau energijos (tai vyksta šiltoje patalpoje), juda daug greičiau nei molekulės šaltoje patalpoje. Dalelės, turinčios daugiau energijos, susiduria daug aktyviau ir dažniau, joms reikia daugiau vietos judėti. Norint sulaikyti molekulių daromą slėgį, medžiaga pradeda augti. Be to, tai vyksta gana greitai. Taigi, ar užšaldamas vanduo išsiplečia ar susitraukia? Kodėl tai vyksta?
Vanduo šių taisyklių nesilaiko. Jei pradedame vėsinti vandenį iki keturių laipsnių šilumos, tai sumažina jo tūrį. Bet jei temperatūra ir toliau kris, tai vanduo staiga ima plėstis! Yra tokia savybė kaip vandens tankio anomalija. Ši savybė pasireiškia keturių laipsnių Celsijaus temperatūroje.
Dabar, kai išsiaiškinome, ar užšaldamas vanduo išsiplečia, ar susitraukia, išsiaiškinkime, kaip iš tikrųjų atsiranda ši anomalija. Priežastis slypi dalelėse, iš kurių jis susideda. Vandens molekulę sudaro du vandenilio atomai ir vienas deguonis. Vandens formulę visi žino nuo pradinės mokyklos. Šios molekulės atomai įvairiai traukia elektronus. Vandenilis sukuria teigiamą svorio centrą, o deguonis, priešingai, turi neigiamą. Vandens molekulėms susidūrus, vienos molekulės vandenilio atomai perkeliami į visiškai kitos molekulės deguonies atomą. Šis reiškinys vadinamas vandenilio sujungimu.
Vandeniui atvėsus reikia daugiau vietos
Tuo metu, kai prasideda vandenilio ryšių susidarymo procesas, vandenyje pradeda atsirasti vietų, kur molekulės yra ta pačia tvarka kaip ir ledo kristale. Šie ruošiniai vadinami grupėmis. Jie nėra tokie stiprūs kaip kietame vandens kristale. Kai temperatūra pakyla, jie sugenda ir keičia savo vietą.
Proceso metu klasterių skaičius skystyje pradeda sparčiai didėti. Joms daugintis reikia daugiau vietos, todėl pasiekus nenormalų tankį vandens dydis padidėja.
Termometrui nukritus žemiau nulio, sankaupos pradeda virsti mažais ledo kristalais. Jie pradeda lipti aukštyn. Dėl viso to vanduo virsta ledu. Tai labai neįprastas vandens gebėjimas. Šis reiškinys reikalingas labai daugeliui procesų gamtoje. Visi žinome, o jei nežinome, tai prisimename, kad ledo tankis yra šiek tiek mažesnis nei šalto ar šalto vandens. Tai leidžia ledui plaukti vandens paviršiuje. Visi vandens telkiniai pradeda sustingti iš viršaus į apačią, o tai leidžia vandens gyventojams ramiai gyventi ir neužšalti dugne. Taigi, dabar mes išsamiai žinome, ar vanduo plečiasi, ar užšąla.
Karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Jei paimsime dvi identiškas stiklines ir į vieną pilsime karštą vandenį, kitoje - tiek pat šalto, pastebėsime, kad karštas vanduo užšąla greičiau nei šaltas. Tai nėra logiška, sutinkate? Karštas vanduo turi atvėsti, kad užšaltų, bet šaltas - ne. Kaip paaiškinti šį faktą? Mokslininkai iki šiol negali paaiškinti šios paslapties. Šis reiškinys vadinamas „Mpemba efektu“. Neįprastomis aplinkybėmis jį 1963 m. Atrado mokslininkas iš Tanzanijos. Studentas norėjo pasigaminti ledų ir pastebėjo, kad karštas vanduo greičiau užšąla. Tuo jis pasidalijo su savo fizikos mokytoju, kuris iš pradžių netikėjo.
Į klausimą, kodėl aušinant vanduo išsiplėtė, kai vėsinant susitraukia kitos medžiagos? davė autorius Pavelas Anufrievas geriausias atsakymas yra Vėsdamas vanduo iš pradžių elgiasi kaip ir daugelis kitų junginių: jis palaipsniui tampa tankesnis ir mažina savitąjį tūrį. Bet esant 4 ° C (tiksliau, 3,98 ° C) temperatūrai, įvyksta krizinė būsena - struktūrinis pertvarkymas, o toliau mažėjant temperatūrai, vandens tūris nebe mažėja, o didėja. Atvėsęs normaliomis sąlygomis žemesnėje nei 0 ° C temperatūroje, vanduo kristalizuojasi, formuodamas ledą, kurio tankis yra mažesnis, o tūris beveik 10% didesnis už pradinio vandens tūrį.
Tūrio padidėjimą lemia tai, kad kiekviena ledo struktūros molekulė yra sujungta su vandeniliu prie kitų keturių molekulių. Dėl to ledo fazėje susidaro ažūrinė konstrukcija su „ertmėmis“ tarp fiksuotų vandens molekulių, o tai sukelia reikšmingą visos sušalusios masės išsiplėtimą. Ledo kristalinė struktūra primena deimanto struktūrą: kiekvieną H2O molekulę supa keturios arčiausiai jos esančios molekulės, dalyvaujančios formuojant vandenilio jungtį, ir esančios vienodu atstumu nuo jo, lygios 2,76 angstremo ir išsidėsčiusios taisyklingo tetraedro viršūnėse kampais, lygiais 109 ° 28 "( Dėl mažo koordinavimo skaičiaus ledo struktūra yra tinklinė, o tai daro įtaką mažam jos tankiui. Ažūrinė ledo struktūra lemia tai, kad jo tankis, lygus 916,7 kg / m³ 0 ° C temperatūroje, yra mažesnis nei vandens tankis ( 999,8 kg / m³) toje pačioje temperatūroje.
Todėl vanduo, virstantis ledu, padidina jo tūrį maždaug 9%:
Lydymosi procese, esant 0 ° C temperatūrai, apie 10–15% vandens praranda ryšius su junginiais, todėl padidėja kai kurių molekulių judrumas ir jos nugrimzta į tas ertmes, kuriose gausu ažūrinės ledo struktūros. Tai paaiškina ledo suspaudimą tirpstant ir didesnį susidariusio vandens tankį, kuris padidėja apie 10%. Galima manyti, kad ši vertė tam tikru būdu apibūdina ertmėje įstrigusių vandens molekulių skaičių. Gauto vandens tankis pasiekia didžiausią temperatūrą 4 ° С temperatūroje, o toliau didėjant temperatūrai, reguliarus vandens išsiplėtimas, susijęs su molekulinio judėjimo padidėjimu, viršija „ledo-vandens“ struktūrinio pertvarkymo poveikį, o vandens tankis pradeda palaipsniui mažėti.
Atsakymas nuo 2 atsakymai[guru]
Sveiki! Čia pateikiamos temos su atsakymais į jūsų klausimą: Kodėl aušinant vanduo padidėja, kai aušinant susitraukia kitos medžiagos?
Atsakymas nuo Placeris[naujokas]
Atvėsęs vanduo neišsiplečia. tik vandeniui sukietėjus ir tapus ledu, tik po to jo tūris padidės dėl padidėjusio atstumo tarp vandens molekulių.
Atsakymas nuo Mike'as tiaroffas[guru]
vanduo taip pat yra suspaustas ... klausimas pateiktas neteisingai. ... vanduo susitraukia iki -4 laipsnių, o tada išsiplečia ... tai vadinama faziniu perėjimu ir tokių perėjimų metu medžiagos elgiasi visiškai neįsivaizduojamais būdais ... pašildžius iki 100 laipsnių, išsiplėtimas vyksta, o aukštesnė nei temperatūra nėra pasiekiama, tačiau įvyksta perėjimas į garus - taip pat fazinis perėjimas ... ryšiai tarp molekulių įgyja kitų savybių - kristalizacija prasideda vandenyje ...
