Меню

Пример возникновения избыточного давления при замерзании воды

Какое усилие создает вода, переходя в ледяное состояние?

Если вода замерзает при обычном давлении, то ее плотность с образованием льда уменьшается примерно на 9%. Поэтому замерзающая вода легко рвет стеклянные бутылки. Но что будет, если использовать достаточно прочный сосуд и не давать воде расширяться, но при этом отводить тепло? Тогда часть воды превратится в лед и расширится, а остальная останется жидкой, но сожмется. При этом в системе возрастет давление.

Вода считается почти несжимаемой жидкостью, но в действительности ее плотность возрастает примерно на полпроцента за каждые 100 атмосфер приложенного давления. Значит, когда 5% воды в нашем сосуде замерзнет, объем остальной воды уменьшится на 0,5%, а давление подскочит до 100 атмосфер — как в баллоне у аквалангиста.

По мере замерзания давление будет возрастать, пока не достигнет примерно 6000 атмосфер. К этому времени большая часть воды затвердеет, остатки жидкости будут иметь плотность 1,3 г/см3. Да и структура самого льда тоже измениться под действием давления — он приобретет необычную более плотную структуру называемую лед VI с плотностью 1,3 г/см3.

Итак, усилие, которое может развить замерзающая вода составляет до 6000 атмосфер. Это 5-6 раз больше, чем на дне Марианской впадины. Ни один обычный сосуд такое давление не выдержит, только специальное экспериментальное оборудование.

Я когда-то попытался это посчитать. Даже в «Ленинку» ездил, чтобы узнать коэффициент сжимаемости льда (сейчас бы, конечно, нашел бы в интернете). Получилось вот что.

Я взял такую модель. Толстая плита из прочной стали, в ней шаровая полость с водой при нуле градусов. Охладим плиту на один градус. Лед начнет намерзать на стенках полости. Из литра воды получится 1,09 л льда, который сжимает воду. И уже тонкий слой льда сильно увеличит давление в полости. Формула увеличения давления простая: ?P = ?V/(Vо?). Здесь где ?V – изменение объема сжатой воды, Vо исходный объем воды, ? – ее сжимаемость, она равна 5.10^-5 атм-1. То есть увеличение давления на 1 атм объем воды уменьшится на пять стотысячных начального. (Примерно так же сжимаются рубидий и цезий, а ртуть сжимается на порядок хуже воды.)

Пусть объем полости 10 л, замерзло x л воды, тогда, если подставить все значения, то получится, что изменение давления описывается простой формулой

?P = 2000х/(10 — х) атм. При этом предполагается, что лед не сжимается. Но это не совсем так: он сжимается, но примерно вчетверо хуже, чем вода. И это создает некоторую ошибку в расчетах. А дают они такие числа. Если из 10 л замерзло 0,1 л (при этом образуется слой льда толщиной 0,5 мм — это легко подсчитать), то давление будет примерно 20 атм. И дальше по мере нарастания слоя льда оно будет расти очень быстро. И следует учитывать, что с давлением понижается температура замерзания воды, примерно на один градус на каждые 130 атм. Если не считаться с сжимаемостью льда, можно получить теоретически бесконечное давление. Например, если бы замерзло 9,9 л воды, давление повысилось бы до 200 тысяч атм. Но этого реально не будет. Потому что при больших давлениях лед «ломается», то есть разрушается его кристаллическая решетка (она у обычного льда довольно рыхлая). Это разрушение произойдет при давлении около 2060 атм. При таком давлении вода замерзает уже при минус 22оC. Получается так называемой лед-III (разных льдов известно множество, есть и «горячий лед»; фазовая диаграмма воды изучена довольно хорошо). Результат «ломки льда» — давление перестает расти. Его можно повышать только с помощью пресса. Именно так были получены разные модификации льда, например, тот самый горячий лед-VII. При давлении 30 тысяч атм он плавится только при 190оC.

Читайте также:  Где расположен датчик давления mitsubishi

Источник

Обьяснены причины странного поведения воды при замерзании

Используя рентгеновские лазеры, исследователи из Стокгольмского университета смогли определить, как вода колеблется между двумя различными состояниями, когда она охлаждается. При -44 ° C эти колебания достигают максимума, указывая на то, что вода может существовать как две разные различные жидкости.

Вода, как обычная, так и необходимая для жизни на Земле, ведет себя очень странно по сравнению с другими веществами. Как плотность воды, удельная теплоемкость, вязкость и сжимаемость реагируют на изменения давления и температуры, полностью противоположны другим жидкостям, которые мы знаем.

Мы все знаем, что вся материя сжимается, когда она охлаждается, что приводит к увеличению плотности. Поэтому мы ожидаем, что вода будет иметь высокую плотность в точке замерзания. Однако, если мы посмотрим на стакан ледяной воды, все перевернуто, так как мы ожидаем, что вода на 0 ° C, окруженная льдом, должна быть на дне стакана, но, разумеется, мы знаем, что кубики льда плавают. Как ни странно, для жидкого состояния вода является самой плотной при 4 градусах Цельсия, и поэтому она остается на дне, будь то в стекле или в океане.

Если вы охладите воду ниже 4 градусов, она снова начнет расширяться. Если вы продолжаете охлаждать чистую воду (где скорость кристаллизации низкая) до уровня ниже 0, она продолжает расширяться — расширение даже ускоряется, когда становится холоднее. Многие другие свойства, такие как сжимаемость и теплоемкость, становятся все более странными, поскольку вода охлаждается. Теперь исследователи из Стокгольмского университета с помощью ультракоротких рентгеновских импульсов на рентгеновских лазерах в Японии и Южной Корее сумели определить, что вода достигает пика своего странного поведения при -44 ° C.

Читайте также:  Давление воды на входе в многоэтажный дом

Вода уникальна, поскольку она может существовать в двух жидких состояниях, которые имеют разные способы соединения молекул воды вместе. Вода колеблется между этими состояниями, как будто она не может решить, и эти колебания достигают максимума при -44 ° C. Именно эта способность переходить из одного жидкого состояния в другое, что придает воде его необычные свойства, и поскольку флуктуации возрастают при охлаждении, также увеличивается странность.

«Особенность заключалась в том, что мы смогли рентгеновские снимки невообразимо быстро, пока лед не замерз, и не мог наблюдать, как он колебался между двумя государствами», — говорит Андерс Нильссон, профессор химической физики Стокгольмского университета. «На протяжении десятилетий существовали спекуляции и разные теории, чтобы объяснить эти замечательные свойства и почему они стали сильнее, когда вода становится холоднее. Теперь мы нашли такой максимум, а это означает, что также должна быть критическая точка при более высоких давлениях».

Еще один замечательный вывод исследования заключается в том, что необычные свойства различны между нормальной и тяжелой водой и более улучшены для более светлой. «Различия между двумя изотопами, H2O и D2O, приведенные здесь, показывают важность ядерных квантовых эффектов», — говорит Кьюнг Хван Ким, postdoc в Chemical Physics в Стокгольмском университете. «Возможность делать новые открытия в такой изученной теме, как вода, полностью увлекательна и является большим вдохновением для моих дальнейших исследований», — говорит Александр Спэ, студент PhD по химической физике Стокгольмского университета.

«Это была мечта, чтобы иметь возможность измерять воду в таких условиях низкой температуры без замерзания», — говорит Харшад Патак, postdoc в Chemical Physics в Стокгольмском университете. «Было предпринято много попыток по всему миру, чтобы найти этот максимум».

«С начала ранней работы Вольфганга Рентгена интенсивные дебаты о происхождении странных свойств воды уже более века, — объясняет Андерс Нильссон. «Исследователи, изучающие физику воды, теперь могут опираться на модель, что вода имеет критическую точку в переохлажденном режиме. Следующий этап — найти местоположение критического с точки зрения давления и температуры. Большая проблема в ближайшие несколько лет «.

Читайте также:  Давление масла в двигателе ниссан патрол

Источник

Пример возникновения избыточного давления при замерзании воды

Получится ли описанный в тексте опыт по режеляции льда, если его проводить при температуре –20 °С? Ответ поясните.

Между давлением и точкой замерзания (плавления) воды наблюдается интересная зависимость (см. таблицу).

Давление, атм Температура плавления льда, °C Изменение объёма при
кристализации, см 3 /моль
Давление, атм Температура плавления льда, °C Изменение объёма при
кристализации, см 3 /моль
1 0,0 −1,62 5280 −10,0 1,73
610 −5,0 −1,83 5810 −5,0 1,69
1970 −20,0 −2,37 7640 10,0 1,52
2115 −22,0 0,84 20000 73,8 0,68

С повышением давления до 2200 атмосфер температура плавления падает: с увеличением давления на каждую атмосферу она понижается примерно на 0,0075 °С. При дальнейшем увеличении давления точка замерзания воды начинает расти: при давлении 20 670 атмосфер вода замерзает при 76 °С. В этом случае будет наблюдаться горячий лёд.

При нормальном атмосферном давлении объём воды при замерзании внезапно возрастает примерно на 11%. В замкнутом пространстве такой процесс приводит к возникновению громадного избыточного давления до 2500 атм. Вода, замерзая, разрывает горные породы, дробит многотонные глыбы.

В XIX веке было обнаружено явление режеляции льда, которое можно продемонстрировать на опыте. Поставим на два столбика прямоугольный ледяной брусок. Перекинем через него тонкую стальную проволоку (диаметром 0,1 мм) и подвесим на ней груз массой 3 кг (см. рис. а). Все это оставим на лёгком морозе. Важно, чтобы температура на улице была лишь немногим ниже нуля. Примерно через сутки мы обнаружим, что проволока и гиря лежат на земле, а на столбиках стоит наш ледяной брусок, целый и невредимый. Если бы мы в течение опыта выходили на улицу, то увидели бы, как постепенно проволока опускается, как бы разрезая ледяной брусок (см. рис. б, в, г), никакого разреза не остаётся – выше проволоки брусок оказывается монолитным.

Долгое время думали, что лёд под лезвиями коньков тает потому, что испытывает сильное давление, температура плавления льда понижается и лёд плавится. Однако расчёты показывают, что под коньками температура плавления льда уменьшается примерно на 0,1 °С, что явно недостаточно для катания, например, при –10 °С.

Источник

Adblock
detector