Vad gör vatten när det svalnar. Vad händer med vatten när det värms upp
Vi är omgivna av vatten i sig själv, i sammansättningen av andra ämnen och kroppar. Det kan vara fast, flytande eller gasformigt, men vatten finns alltid runt oss. Varför spricker asfalten på vägarna, varför spricker en glasburk vatten i kylan, varför fönster dimmar upp under den kalla årstiden, varför lämnar ett flygplan ett vitt spår på himlen - vi kommer att leta efter svar på alla dessa och andra "varför" i den här lektionen. Vi lär oss hur egenskaperna hos vatten förändras under uppvärmning, kylning och frysning, hur underjordiska grottor och bisarra figurer bildas i dem, hur en termometer fungerar.
Tema: Livlös natur
Lektion: Egenskaper hos flytande vatten
I sin rena form har vatten ingen smak, lukt eller färg, men det händer nästan aldrig så här, eftersom det aktivt löser upp de flesta ämnen i sig själv och kombinerar med sina partiklar. Dessutom kan vatten tränga in i olika kroppar (forskare har hittat vatten även i stenar).
Om du tar kranvatten i ett glas verkar det rent. Men i själva verket är detta en lösning av många ämnen, bland vilka det finns gaser (syre, argon, kväve, koldioxid), olika föroreningar i luften, upplösta salter från jorden, järn från vattenledningar, de minsta olösta dammpartiklarna etc.
Om du pipetterar en droppe kranvatten på ett rent glas och låter det avdunsta förblir subtila fläckar kvar.
Vattnet i floder och strömmar, de flesta sjöar innehåller olika föroreningar, till exempel upplösta salter. Men de är få, för det här vattnet är friskt.
Vatten rinner på land och under jorden, fyller strömmar, sjöar, floder, hav och hav, skapar underjordiska palats.
Genom att ta sig igenom lättlösliga ämnen tränger vatten djupt ner i marken, tar dem med sig, och genom sprickor och sprickor i stenar, bildar underjordiska grottor, droppar från sina valv och skapar bisarra skulpturer. Miljarder vattendroppar avdunstar under hundratals år, och ämnen upplösta i vatten (salter, kalkstenar) sätter sig i grottans valv och bildar sten istappar som kallas stalaktiter.
Liknande formationer på grottans golv kallas stalagmiter.
Och när stalaktiten och stalagmiten växer ihop och bildar en stenkolonn kallas det en stalagnat.
När vi observerar isdriften vid floden ser vi vatten i fast (is och snö), flytande (flyter under) och gasformigt tillstånd (de minsta vattenpartiklarna stiger upp i luften, som också kallas vattenånga).
Vatten kan finnas i alla tre tillstånd samtidigt: det finns alltid vattenånga i luften och moln, som består av vattendroppar och iskristaller.
Vattenånga är osynlig, men det kan lätt detekteras om du lämnar ett glas vatten kylt i kylen i en timme i ett varmt rum, på vars väggar vattendroppar omedelbart dyker upp. Vid kontakt med glasets kalla väggar omvandlas vattenångan i luften till vattendroppar och lägger sig på glasets yta.
Figur: 11. Kondens på det kalla glasets väggar ()
Av samma anledning, under den kalla årstiden, tappar insidan av fönsterglaset upp. Kall luft kan inte innehålla så mycket vattenånga som varm luft, så en del av den kondenserar - blir till vattendroppar.
Det vita spåret bakom ett flygplan som flyger på himlen är också ett resultat av kondens.
Om du tar en spegel mot dina läppar och andas ut, kommer de minsta vattendropparna att finnas kvar på dess yta, detta bevisar att en person andas in vattenånga med luft när man andas.
Vid uppvärmning expanderar vattnet. Detta kan bevisas med ett enkelt experiment: ett glasrör sänktes ned i en kolv med vatten och vattennivån i den mättes; sedan sänktes kolven i ett kärl med varmt vatten och efter uppvärmning av vattnet mättes nivån i röret igen, vilket steg märkbart, eftersom vattnet ökade i volym vid upphettning.
Figur: 14. En kolv med rör, nummer 1 och en streck indikerar den ursprungliga vattennivån
Figur: 15. En kolv med rör, nummer 2 och ett streck indikerar vattennivån vid uppvärmning
Vid kylning komprimeras vattnet. Detta kan bevisas med ett liknande experiment: i det här fallet sänktes kolven med röret i ett kärl med is; efter kylning sjönk vattennivån i röret relativt det ursprungliga märket, eftersom vattnet minskade i volym.
Figur: 16. En kolv med rör, nummer 3 och en streck indikerar vattennivån vid kylning
Detta händer eftersom vattenpartiklar, molekyler, när de värms upp, rör sig snabbare, kolliderar med varandra, stöter bort från kärlets väggar, avståndet mellan molekylerna ökar och därför tar vätskan upp en större volym. När vatten svalnar sänks partiklarnas rörelse, avståndet mellan molekylerna minskar och vätskan kräver en mindre volym.
Figur: 17. Vattenmolekyler med normal temperatur
Figur: 18. Vattenmolekyler vid upphettning
Figur: 19. Vattenmolekyler vid kylning
Dessa egenskaper har inte bara vatten, utan även andra vätskor (alkohol, kvicksilver, bensin, fotogen).
Kännedom om vätskans egenskaper ledde till uppfinningen av en termometer (termometer), som använder alkohol eller kvicksilver.
När det fryser expanderar vattnet. Detta kan bevisas om en behållare, fylld till randen med vatten, täcks löst med ett lock och placeras i frysen, efter ett tag ser vi att den bildade isen kommer att lyfta locket och gå ut ur behållaren.
Denna egenskap beaktas vid läggning av vattenledningar, som måste isoleras så att isen som bildas från vattnet inte bryter rören vid frysning.
I naturen kan frysande vatten förstöra berg: om vatten ackumuleras i sprickor i stenar på hösten, på vintern fryser det, och under istryck, som upptar en större volym än vattnet från vilket det bildades, spricker stenar och kollapsar.
Vatten som fryser i sprickor på vägar leder till att asfaltbeläggningen förstörs.
Långa åsar som liknar veck på trädstammar är sår från träbrott under trycket av trädsaft som fryser i den. Därför kan du under kalla vintrar höra knakande träd i parken eller i skogen.
- Vakhrushev A.A., Danilov D.D. Världen omkring oss 3. M.: Ballas.
- Dmitrieva N.Ya., Kazakov A.N. Världen omkring oss 3. M.: Förlag "Fedorov".
- Pleshakov A.A. Den omgivande världen 3. M.: Utbildning.
- Festival för pedagogiska idéer ().
- Vetenskap och utbildning ().
- Offentlig klass ().
- Gör ett kort test (4 frågor med 3 möjliga svar) om ämnet "Vatten runt oss".
- Prova ett litet experiment: lägg ett glas mycket kallt vatten på bordet i ett varmt rum. Beskriv vad som kommer att hända, förklara varför.
- * Rita rörelsen av vattenmolekyler i ett uppvärmt, normalt och kyld tillstånd. Märk vid behov ritningen.
I varmvattenuppvärmningssystem används vatten för att överföra värme från dess generator till konsumenten.
De viktigaste egenskaperna hos vatten är:
värmekapacitet;
förändring i volym vid upphettning och kylning;
kokegenskaper med förändringar i yttre tryck;
kavitation.
Tänk på dessa fysiska egenskaper hos vatten.
Specifik värme
En viktig egenskap hos alla värmebärare är dess värmekapacitet. Om vi \u200b\u200buttrycker det i termer av massan och temperaturskillnaden för kylvätskan får vi den specifika värmekapaciteten. Det anges i brevet c och har dimensionen kJ / (kg K)
Specifik värme är den mängd värme som måste överföras till 1 kg av ett ämne (till exempel vatten) för att värma upp det med 1 ° C. Omvänt ger ett ämne upp samma mängd energi när det kyls. Medelvärdet för den specifika vattenvärmen i området mellan 0 ° C och 100 ° C är:
c \u003d 4,19 kJ / (kg K) eller c \u003d 1,16 Wh / (kg K)
Mängden absorberad eller genererad värme Futtryckt i J eller kj, beror på massan muttryckt i kg, specifik värme c och temperaturskillnaden uttryckt i K.
Öka och minska volymen
Alla naturliga material expanderar vid uppvärmning och dras samman vid kylning. Det enda undantaget från denna regel är vatten. Denna unika egenskap kallas vattenanomali. Vatten har den högsta densiteten vid +4 ° C, vid vilken 1 dm3 \u003d 1 liter har en massa på 1 kg.
Om vatten värms upp eller kyls runt denna punkt ökar dess volym, vilket innebär en minskning av densiteten, det vill säga vattnet blir lättare. Detta kan tydligt ses i exemplet med en tank med överströmningspunkt. Tanken innehåller exakt 1000 cm3 vatten med en temperatur på +4 ° C. När vattnet värms upp kommer något att hälla ut ur behållaren i mätbehållaren. Om vattnet värms upp till 90 ° C kommer exakt 35,95 cm3 att hällas i mätbehållaren, vilket motsvarar 34,7 g. Vatten expanderar också när det svalnar under +4 ° C.
På grund av denna anomali av vatten nära floder och sjöar är det det övre lagret som fryser på vintern. Av samma anledning flyter is på ytan och vårsolen kan smälta den. Detta skulle inte ha hänt om isen var tyngre än vatten och sjönk till botten.
Behållare för överströmningspunkt
En sådan expansionsfastighet kan dock vara farlig. Till exempel kan bilmotorer och vattenpumpar springa om vattnet fryser i dem. För att undvika detta tillsätts tillsatser i vattnet för att förhindra att det fryser. Glykoler används ofta i värmesystem; Se tillverkarens specifikationer för förhållande mellan vatten och glykol.
Kokvattenegenskaper
Om vatten värms upp i en öppen behållare kokar den vid en temperatur på 100 ° C. Om du mäter temperaturen på kokande vatten visar det sig att den förblir vid 100 ° C tills den sista droppen avdunstar. Således används konstant värmeförbrukning för fullständig avdunstning av vatten, det vill säga för en förändring av dess aggregeringstillstånd.
Denna energi kallas också latent (latent) värme. Om värmen fortsätter att strömma börjar temperaturen på den ångade ångan att stiga igen.
Den beskrivna processen ges vid ett lufttryck av 101,3 kPa vid vattenytan. Vid vilket annat lufttryck som helst, flyttas vattnets kokpunkt från 100 ° C.
Om vi \u200b\u200bupprepade det beskrivna experimentet på en höjd av 3000 m - till exempel på Zugspitze, den högsta toppen i Tyskland - skulle vi upptäcka att vattnet där kokar redan vid 90 ° C. Anledningen till detta beteende är minskningen av atmosfärstrycket med höjden.
Ju lägre tryck på vattenytan, desto lägre blir kokpunkten. Omvänt kommer kokpunkten att vara högre med ökande tryck på vattenytan. Den här egenskapen används till exempel i tryckkokare.
Diagrammet visar beroendet av vattenets kokpunkt på trycket. Värmesystem trycks medvetet. Detta hjälper till att förhindra bildandet av gasbubblor under kritiska driftsförhållanden och förhindrar också att uteluft kommer in i systemet.
Vattenutvidgning vid uppvärmning och övertrycksskydd
Varmvattenuppvärmningssystem arbetar vid vattentemperaturer upp till 90 ° C. Normalt fylls systemet med vatten vid en temperatur av 15 ° C, som sedan expanderar vid uppvärmning. Denna volymökning får inte tillåta att skapa övertryck och överflöde.
När värmen stängs av under sommaren återgår vattenvolymen till sitt ursprungliga värde. Därför måste en tillräckligt stor tank installeras för att säkerställa obehindrad expansion av vattnet.
Äldre värmesystem hade öppna expansionstankar. De var alltid placerade ovanför den högsta delen av rörledningen. När temperaturen i systemet ökade, vilket ledde till att vattnet expanderade, ökade också nivån i tanken. Med en minskning av temperaturen minskade den följaktligen.
Moderna värmesystem använder membranutvidgningstankar (MRB). När trycket i systemet stiger får trycket i rörledningar och andra delar av systemet inte tillåtas stiga över gränsvärdet.
Därför är en säkerhetsventil en förutsättning för varje värmesystem.
När trycket stiger över normen måste säkerhetsventilen öppnas och avlufta överflödet av vatten som expansionstanken inte kan rymma. I ett noggrant utformat och underhållet system bör detta kritiska tillstånd dock aldrig uppstå.
Allt detta resonemang tar inte hänsyn till det faktum att cirkulationspumpen ytterligare ökar trycket i systemet. Förhållandet mellan den maximala vattentemperaturen som väljs av pumpen, expansionskärlets storlek och säkerhetsventilens öppningstryck måste noggrant fastställas. Det slumpmässiga urvalet av systemelement - även på grundval av deras kostnad - är oacceptabelt i detta fall.
Membran expansionskärlet levereras fylld med kväve. Initialtrycket i membranutvidgningskärlet måste justeras beroende på värmesystemet. Det expanderande vattnet från värmesystemet kommer in i tanken och komprimerar gaskammaren genom membranet. Gaser kan komprimeras, men vätskor kan inte.
Tryck
Bestämning av tryck
Tryck är det statiska trycket för vätskor och gaser, mätt i kärl, rörledningar i förhållande till atmosfärstrycket (Pa, mbar, bar).
Statiskt tryck
Statiskt tryck är trycket från en stationär vätska.
Statiskt tryck \u003d nivå över motsvarande mätpunkt + initialt tryck i expansionskärlet.
Dynamiskt tryck
Dynamiskt tryck är trycket i en rörlig ström av vätska. Pumpens urladdningstryck Detta är trycket vid centrifugalpumpens utlopp under drift.
Tryckfall
Trycket som utvecklats av en centrifugalpump för att övervinna systemets totala motstånd. Det mäts mellan inlopp och utlopp på en centrifugalpump.
Arbetstryck
Trycket i systemet när pumpen är igång. Tillåtet arbetstryck Det högsta tillåtna arbetstrycket från pumpens och systemets säkerhetsförhållanden.
Kavitation
Kavitation - detta är bildandet av gasbubblor som ett resultat av att ett lokalt tryck uppträder under förångningstrycket hos den pumpade vätskan vid pumphjulets inlopp. Detta leder till en minskning av prestanda (huvud) och effektivitet och orsakar buller och förstörelse av materialet i pumpens inre delar. På grund av kollapsen av luftbubblor i områden med högre tryck (till exempel vid pumphjulets utlopp) orsakar mikroskopiska explosioner trycksteg som kan skada eller förstöra hydraulsystemet. Det första tecknet på detta är impellerbuller och erosion.
En viktig parameter för en centrifugalpump är NPSH (vätskekolonnens höjd ovanför pumpens sugrör). Den definierar det lägsta pumpinloppstryck som krävs av en viss pumptyp för att fungera utan kavitation, dvs. det ytterligare tryck som krävs för att förhindra att bubblor bildas. NPSH-värdet påverkas av pumphjulstyp och pumphastighet. Externa faktorer som påverkar denna parameter är vätskans temperatur, atmosfärstryck.
Förebyggande av kavitation
För att undvika kavitation måste vätskan tränga in i centrifugalpumpens inlopp vid ett visst minimum sughiss, vilket beror på temperatur och atmosfärstryck.
Andra sätt att förhindra kavitation är:
Statisk tryckökning
Sänka vätskans temperatur (sänka ångtrycket PD)
Välja en pump med ett lägre konstant tryck (minsta sughuvud, NPSH)
Agrovodkom-specialisterna hjälper dig gärna med att bestämma det optimala pumpvalet. Kontakta oss!
|
Alexander
2013-10-22 09:38:26
[Att svara] [Svara med citat] [Avbryt svar]
|
Den japanska fysikern Masakazu Matsumoto lade fram en teori som förklarar varför vatten, vid uppvärmning från 0 till 4 ° C, dras samman istället för att expandera. Enligt hans modell innehåller vatten mikroformationer - "vitriter", som är konvexa ihåliga polyhedroner, på toppen av vilka vattenmolekyler är, och vätebindningar fungerar som kanter. När temperaturen stiger konkurrerar två fenomen med varandra: förlängning av vätebindningar mellan vattenmolekyler och deformering av vitrit, vilket leder till en minskning av deras håligheter. I temperaturområdet från 0 till 3,98 ° C dominerar det senare fenomenet effekten av förlängning av vätebindningar, vilket i slutändan ger den observerade komprimeringen av vatten. Det finns fortfarande ingen experimentell bekräftelse av Matsumotos modell - liksom andra teorier som förklarar komprimering av vatten.
Till skillnad från den överväldigande majoriteten av ämnen kan vatten, när det värms upp, minska volymen (fig. 1), det vill säga det har en negativ värmeutvidgningskoefficient. Vi talar emellertid inte om hela temperaturområdet där vatten finns i flytande tillstånd, utan bara om ett smalt område - från 0 ° C till cirka 4 ° C. Vid höga temperaturer expanderar vatten, som andra ämnen.
Förresten är vatten inte det enda ämnet som har egenskapen att krympa med ökande temperatur (eller expanderar vid kylning). Vismut, gallium, kisel och antimon kan också "skryta" av liknande beteende. På grund av dess mer komplexa interna struktur, liksom dess förekomst och betydelse i olika processer, är det dock vatten som lockar forskare (se Studien av vattenstrukturen fortsätter, "Element", 09.10.2006).
För en tid sedan var den allmänt accepterade teorin som svarade på frågan varför vatten ökar volymen med sjunkande temperatur (fig. 1) modellen för en blandning av två komponenter - "normal" och "isliknande". Denna teori föreslogs först på 1800-talet av Harold Whiting och utvecklades senare och förfinades av många forskare. Mer nyligen, inom ramen för den upptäckta polymorfismen av vatten, tänkte Whiting teori om. Från och med nu tros det att det finns två typer av isliknande nanodomäner i superkylda vatten: regioner som liknar amorf is med hög och låg densitet. Uppvärmning av superkylt vatten leder till att dessa nanostrukturer smälter och att två vattenslag uppträder: med högre och lägre densitet. Tricklig temperaturkonkurrens mellan de två "sorterna" av det resulterande vattnet genererar ett icke-monotont beroende av densitet på temperaturen. Denna teori har dock ännu inte bekräftats experimentellt.
Du måste vara försiktig med den här förklaringen. Det är ingen tillfällighet att man bara talar om strukturer som liknar amorf is. Poängen är att nanoskopiska regioner av amorf is och dess makroskopiska analoger har olika fysiska parametrar.
Den japanska fysikern Masakazu Matsumoto bestämde sig för att hitta en förklaring till den effekt som diskuteras här från grunden, och förkastar teorin om en tvåkomponentblandning. Med hjälp av datasimuleringar undersökte han de fysiska egenskaperna hos vatten över ett brett temperaturintervall - från 200 till 360 K vid nolltryck, för att i molekylär skala ta reda på de verkliga orsakerna till att vattnet expanderar när det svalnar. Hans artikel i Physical Review Letters har titeln Varför expanderar vattnet när det svalnar? ("Varför expanderar vatten när det svalnar?").
Ursprungligen ställde författaren till artikeln frågan: vad påverkar koefficienten för termisk expansion av vatten? Matsumoto anser att för detta är det tillräckligt att ta reda på påverkan av endast tre faktorer: 1) förändringar i längden av vätebindningar mellan vattenmolekyler, 2) topologiskt index - antalet bindningar per vattenmolekyl, och 3) avvikelse av vinkeln mellan bindningar från jämviktsvärdet (vinkelförvrängning).
Figur: 2. Det är mest bekvämt för vattenmolekyler att förenas i kluster med en vinkel mellan vätebindningar lika med 109,47 grader. En sådan vinkel kallas tetraeder eftersom det är den vinkel som förbinder mitten av en vanlig tetraeder och dess två hörn. Ritning från webbplatsen lsbu.ac.uk
Innan vi talar om resultaten från den japanska fysikern, låt oss göra viktiga kommentarer och förtydliganden om ovanstående tre faktorer. Först och främst motsvarar den vanliga kemiska formeln för vatten H2O endast dess ångform. I flytande form förenas vattenmolekyler genom vätebindningar i (H2O) x-grupper, där x är antalet molekyler. Den mest energiskt gynnsamma kombinationen av fem vattenmolekyler (x \u003d 5) med fyra vätebindningar, i vilka bindningarna bildar en jämvikt, så kallad tetraedervinkel, lika med 109,47 grader (se figur 2).
Efter att ha analyserat beroendet av längden på vätebindningen mellan vattenmolekyler på temperatur, kom Matsumoto till den förväntade slutsatsen: en ökning av temperaturen ger upphov till en linjär förlängning av vätebindningar. Och detta leder i sin tur till en ökning av volymen vatten, det vill säga dess expansion. Detta faktum strider mot de observerade resultaten, därför ansåg han vidare påverkan av den andra faktorn. Hur beror värmeutvidgningskoefficienten på det topologiska indexet?
Datorsimulering gav följande resultat. Vid låga temperaturer upptas den största vattenvolymen i procent av vattenkluster, där det finns 4 vätebindningar per molekyl (topologiskt index är 4). En ökning av temperaturen orsakar en minskning av antalet associerade med index 4, men samtidigt börjar antalet kluster med index 3 och 5. Efter att ha utfört numeriska beräkningar fann Matsumoto att den lokala volymen av kluster med topologiskt index 4 inte förändras praktiskt taget med ökande temperatur, och förändringen i den totala volymen av associerade företag med index 3 och 5 vid vilken temperatur som helst kompenserar varandra. Följaktligen ändrar inte temperaturförändringen den totala vattenvolymen, vilket innebär att det topologiska indexet inte påverkar komprimeringen av vatten när det värms upp.
Det återstår att klargöra effekten av vinkelförvrängning av vätebindningar. Och här börjar det mest intressanta och viktiga. Som nämnts ovan tenderar vattenmolekyler att förenas så att vinkeln mellan vätebindningarna är tetraedrisk. Emellertid hindrar termiska vibrationer av vattenmolekyler och interaktioner med andra molekyler som inte ingår i klustret dem från att göra detta och avviker värdet på vätebindningsvinkeln från jämviktsvärdet på 109,47 grader. För att på något sätt kvantitativt karakterisera denna process av vinkeldeformation, antog Matsumoto och kollegor, baserat på deras tidigare arbete Topologiska byggstenar för vätebindningsnätverk i vatten, som publicerades 2007 i Journal of Chemical Physics, förekomsten av tredimensionella mikrostrukturer i vatten som liknar konvex ihålig polyeder. Senare, i efterföljande publikationer, kallade de sådana mikrostrukturer för vitriter (fig. 3). I dem är topparna vattenmolekyler, kanternas roll spelas av vätebindningar och vinkeln mellan vätebindningarna är vinkeln mellan kanterna i vitriten.
Enligt Matsumotos teori finns det ett stort antal olika former av vitrit som, liksom mosaikelement, utgör en stor del av vattenstrukturen och som samtidigt jämnt fyller hela dess volym.
Figur: 3. Sex typiska vitriter som bildar vattenets inre struktur. Bollarna motsvarar vattenmolekyler, segmenten mellan bollarna representerar vätebindningar. Vitrit uppfyller den välkända Eulers sats för polyeder: det totala antalet hörn och ytor minus antalet kanter är 2. Detta innebär att vitrit är konvex polyeder. Andra typer av vitrit kan ses på vitrite.chem.nagoya-u.ac.jp. Figur: från en artikel av Masakazu Matsumoto, Akinori Baba och Iwao Ohminea Network Motiv of Water, publicerad i AIP Conf. Proc.
Vattenmolekyler tenderar att skapa tetraedriska vinklar i vitrit, eftersom vitriter måste ha lägsta möjliga energi. Men på grund av termiska rörelser och lokala interaktioner med andra vitriter har vissa mikrostrukturer inte geometri med tetraedriska vinklar (eller vinklar nära detta värde). De accepterar sådana strukturellt icke-jämviktskonfigurationer (som inte är de mest fördelaktiga för dem ur en energisk synvinkel), som tillåter hela "familjen" av vitriter som helhet att få det lägsta energivärdet bland de möjliga. Sådana vitrits, det vill säga vitrits som så att säga offrar sig för "gemensamma energiintressen" kallas frustrerade. Om icke-frustrerade vitriter har maximal hålrumsvolym vid en given temperatur, har frustrerade vitriter tvärtom minsta möjliga volym.
Datorsimuleringar utförda av Matsumoto visade att den genomsnittliga volymen av vitritkaviteter minskar linjärt med ökande temperatur. Samtidigt minskar frustrerade vitrit signifikant sin volym, medan volymen i håligheten hos icke-frustrerade vitrit förblir nästan oförändrad.
Så komprimering av vatten med ökande temperatur orsakas av två konkurrerande effekter - förlängning av vätebindningar, vilket leder till en ökning av volymen vatten och en minskning av volymen i håligheterna hos frustrerade vitriter. I temperaturområdet från 0 till 4 ° C råder det sista fenomenet, vilket visas genom beräkningar, vilket i slutändan leder till den observerade komprimeringen av vatten med ökande temperatur.
Det återstår att vänta på den experimentella bekräftelsen av förekomsten av vitrit och deras beteende. Men detta är tyvärr en mycket svår uppgift.
Expanderar den eller drar den ihop? Svaret är som följer: när vintern anländer börjar vattnet sin expansionsprocess. Varför händer det här? Denna egenskap gör att vatten sticker ut från listan över alla andra vätskor och gaser, som tvärtom komprimeras när de kyls. Vad är anledningen till detta ovanliga flytande beteende?
Fysikgrad 3: Expanderar eller drar sig vatten samman när det fryser?
De flesta ämnen och material expanderar vid uppvärmning och krymper vid kylning. Gaser visar denna effekt mer märkbart, men olika vätskor och fasta metaller har samma egenskaper.
Ett av de mest slående exemplen på expansion och kontraktion av en gas är luft i en ballong. När vi tar en ballong ut i vädret under noll minskar ballongen omedelbart i storlek. Om vi \u200b\u200btar bollen i ett uppvärmt rum, ökar den omedelbart. Men om vi tar med en ballong i badet kommer den att spricka.
Vattenmolekyler kräver mer utrymme
Anledningen till att dessa processer för expansion och sammandragning av olika ämnen sker är molekyler. De som får mer energi (detta händer i ett varmt rum) rör sig mycket snabbare än molekyler i ett kallt rum. Partiklar som har mer energi kolliderar mycket mer aktivt och oftare, de behöver mer utrymme för att röra sig. För att innehålla det tryck som utövas av molekylerna börjar materialet växa i storlek. Dessutom sker detta ganska snabbt. Så expanderar eller drar sig vatten samman när det fryser? Varför händer det här?
Vatten följer inte dessa regler. Om vi \u200b\u200bbörjar kyla ner vattnet till fyra grader Celsius, minskar det dess volym. Men om temperaturen fortsätter att sjunka, börjar vattnet plötsligt expandera! Det finns en sådan egenskap som vattendensitetsanomali. Denna egenskap uppträder vid en temperatur på fyra grader Celsius.
Nu när vi har räknat ut om vattnet expanderar eller dras in när det fryser, låt oss ta reda på hur denna anomali faktiskt uppträder. Anledningen ligger i de partiklar som den består av. En vattenmolekyl består av två väteatomer och ett syre. Alla känner till vattenformeln sedan grundskolan. Atomerna i denna molekyl lockar elektroner på olika sätt. Väte skapar ett positivt tyngdpunkt medan syre tvärtom har ett negativt. När vattenmolekyler kolliderar med varandra överförs väteatomerna i en molekyl till syreatomen i en helt annan molekyl. Detta fenomen kallas vätebindning.
Vatten behöver mer utrymme när det svalnar
I det ögonblick då processen för bildning av vätebindningar börjar börjar platser dyka upp i vattnet där molekylerna är i samma ordning som i iskristallen. Dessa ämnen kallas kluster. De är inte lika starka som i en fast vattenkristall. När temperaturen stiger bryts de ner och byter plats.
Under processen börjar antalet kluster i vätskan öka snabbt. De kräver mer utrymme att sprida sig, vilket resulterar i att vattnet ökar i storlek efter att ha nått sin onormala densitet.
När termometern faller under noll börjar klusterna förvandlas till små iskristaller. De börjar klättra upp. Som ett resultat av allt detta blir vatten till is. Detta är en mycket ovanlig förmåga hos vatten. Detta fenomen är nödvändigt för ett mycket stort antal processer i naturen. Vi vet alla, och om vi inte vet, då kommer vi ihåg att isens densitet är något mindre än kallt eller kallt vatten. Detta gör att isen kan flyta på vattenytan. Alla vattenkroppar börjar frysa uppifrån och ner, vilket gör att vattenlevande invånare kan leva i fred och inte frysa i botten. Så nu vet vi i detalj om huruvida vattnet expanderar eller dras in när det fryser.
Varmt vatten fryser snabbare än kallt vatten. Om vi \u200b\u200btar två identiska glas och häller varmt vatten i en och samma mängd kallt vatten i det andra, kommer vi att märka att varmt vatten fryser snabbare än kallt vatten. Detta är inte logiskt, håller? Varmt vatten måste svalna för att frysa, men kallt vatten gör det inte. Hur förklarar jag detta faktum? Forskare kan fram till i dag inte förklara detta mysterium. Detta fenomen kallas "Mpemba-effekten". Det upptäcktes 1963 av en forskare från Tanzania under en ovanlig kombination av omständigheter. En student ville göra sig en glass och märkte att varmt vatten fryser snabbare. Han delade detta med sin fysiklärare, som först inte trodde honom.
Till frågan Varför expanderar vatten i volym under kylning, när andra ämnen dras samman under kylning? ges av författaren Pavel Anufriev det bästa svaret är Under kylning beter sig vatten initialt som många andra föreningar: det blir gradvis tätare och minskar dess specifika volym. Men vid 4 ° C (närmare bestämt vid 3,98 ° C) inträffar ett kristillstånd - en strukturell omläggning, och med en ytterligare temperaturminskning minskar vattenvolymen inte längre utan ökar. Vid kylning under normala förhållanden under 0 ° C kristalliserar vattnet och bildar is, vars densitet är mindre och volymen är nästan 10% större än volymen av det ursprungliga vattnet.
Volymökningen beror på att varje molekyl i isstrukturen är vätebunden till fyra andra molekyler. Som ett resultat bildas en genombruten struktur med "hålrum" mellan fasta vattenmolekyler i isfasen, vilket orsakar en betydande expansion av hela den frysta massan. Kristallstrukturen hos is liknar strukturen hos diamant: varje H2O-molekyl är omgiven av fyra molekyler närmast den som deltar i bildandet av en vätebindning och ligger på lika avstånd från den, lika med 2,76 ångström och belägna vid topparna på en vanlig tetraeder vid vinklar lika med 109 ° 28 "( På grund av det låga koordinationsantalet är isstrukturen retikulerad, vilket påverkar dess låga densitet. Isens genombrutna struktur leder till att dess densitet, lika med 916,7 kg / m³ vid 0 ° C, är lägre än densiteten av vatten ( 999,8 kg / m³) vid samma temperatur.
Därför ökar vatten, som förvandlas till is, volymen med cirka 9%:
Under smältningsprocessen, vid 0 ° C, förlorar cirka 10-15% av vattnet sina bindningar med föreningar, vilket resulterar i att mobiliteten hos vissa av molekylerna ökar och de är nedsänkta i de håligheter som är rika på isens genombrutna struktur. Detta förklarar kompressionen av is under smältningen och den högre densiteten hos det resulterande vattnet, vilket ökar med cirka 10%. Man kan anta att detta värde på ett visst sätt karakteriserar antalet vattenmolekyler som fångats i håligheten. Densiteten för det resulterande vattnet når ett maximum vid en temperatur på 4 ° C, och med en ytterligare temperaturökning ökar den regelbundna expansionen av vatten i samband med en ökning av molekylär rörelse effekten av den "isvatten" strukturella omläggningen, och vattentätheten börjar gradvis minska.
Svar från 2 svar[guru]
Hallå! Här är ett urval av ämnen med svar på din fråga: Varför expanderar vatten i volym under kylning, när andra ämnen dras samman under kylning?
Svar från Placer[nybörjare]
Vatten expanderar inte när det kyls. först efter att vattnet hårdnar och blir is, först därefter kommer dess volym att öka på grund av ökningen i avståndet mellan vattenmolekyler.
Svar från Mike tiaroff[guru]
vatten komprimeras också ... frågan ställs felaktigt. ... vattnet drar sig ner till -4 grader och expanderar sedan ... detta kallas en fasövergång, och under sådana övergångar beter sig ämnen på helt ofattbara sätt ... vid upphettning till 100 grader sker expansion och över temperaturen uppnås inte, men en övergång till ånga sker - också en fasövergång ... bindningar mellan molekyler får andra egenskaper - kristallisation börjar i vatten ...
