A tél első jele a tavak és tavak felszínén úszó jég. Ez triviálisnak és nem túl fontosnak tűnhet, de ha a víz szinte minden más folyadékhoz hasonlóan viselkedne, akkor senki sem tudna korcsolyázni egy tavon, mert a jég kialakulása után azonnal a fenékre süllyedne. Tovább rontja a helyzetet, hogy a Föld ebben az esetben látszólag élettelen sivatag lenne, mivel a víz nagy része jég formájában feküdne az óceánok, tavak és folyók fenekén.
A legtöbb folyadék lehűléskor összehúzódik, csökken a térfogata és nő a sűrűsége. Például a szilárd gyertyaviasz lesüllyed egy forróbb olvadt viaszt tartalmazó tál aljára. A víz is összehúzódik, de csak addig, amíg el nem éri a 4°C-ot (39°F). Ez alatt a hőmérséklet alatt a víz tágulni kezd, és sűrűsége csökken. Ezért a jég fagyáspontja közelében könnyebb, mint a víz, és ennek eredményeként lebeg.
Hogyan fagy meg a víz
- A 4°C-ra hűtött tóvíz sűrűbbé válik, és a fenékre süllyed. A melegebb és ezért könnyebb víz a felszínre emelkedik, lehűl és le is süllyed.
- Amikor a víz utolsó adagja 4 °C-ra hűlt, a konvekció, amely a hideg víz lesüllyedését és a melegebb víz felemelkedését okozza, leáll. Ebben az esetben az összes víz hőmérséklete azonos. A víz sűrűsége is azonos.
- Amikor a felszíni rétegben lévő víz 4°C (39°F) alá hűl, kitágul és kevésbé sűrűsödik. Mivel a 3°C-os víz könnyebb, mint a 4°C-os (s39°F), a hidegebb víz a tetején marad.
- A víz felszíni rétege tovább hűl a sűrűség további csökkenésével. Végül 0 °C-on (32 °F) a víz felszíni rétege jéggé válik.
A víz hőtágulása és sűrűsége
4°C (39°F) feletti hőmérsékleten a víz összehúzódik, ahogy lehűl, és 4°C-on éri el legnagyobb sűrűségét. Ha azonban a lehűlés folytatódik, és a hőmérséklet 4°C alá csökken, a víz tágulni kezd, és a sűrűsége csökken. Mennyiségileg a sűrűség megegyezik az anyag egységnyi térfogatának tömegével, és általában g/cm3-ben mérik.
A viasz és a jég másképp fagy meg
A jégkocka felületén dudor képződik (bal oldali kép), mert a kocka közepén lévő víz utoljára fagy meg, és fagyás közben tágulva csak felfelé tud emelkedni. Ezzel szemben a viaszkocka tetején mélyedés képződik, mert a viasz (középső kép) a keményedés után összezsugorodik. A fagyáskor egyenletesen összehúzódó folyadékok (jobb oldali kép) homorú felületet alkotnak.
Az évszak és a tó víz hőmérséklete
Nyáron a víz a felszínen melegebb, mint a mélyben. Télen a tavat jég boríthatja, és a mélyben a víz melegebb lesz, mint a felszínen.
Ez a történet több mint fél évszázaddal ezelőtt kezdődött, de a mai napig nem kapott megoldást. És mindez azért, mert bármennyire is próbálkozik kíváncsi elmék ezrei a bolygó minden tájáról, nem tudják megtalálni az egyetlen helyes megoldást Mpembára.
1963-ban egy feltűnést keltő afrikai diák, Erasto Mpemba észrevett egy furcsaságot: a meleg fagylaltkeverék gyorsabban fagy meg, mint a lehűtött.
A megfigyelés annyira hihetetlennek tűnt, hogy a fizikatanár csak nevetni tudott a szerencsétlen kísérletező felfedezésén. Erasto azonban biztos volt abban, hogy igaza van, és nem félt attól, hogy ismét nevetség tárgyává váljon: valamivel később csúszós kérdést tett fel Denis Osborne-nak, a tanzániai Dar es Salaam Egyetem professzorának. A tudós nem vont le elhamarkodott következtetéseket, és úgy döntött, hogy tanulmányozza a problémát. Aztán 1969-ben a Physics Education folyóirat Mpemba paradoxonát leíró anyagokat közölt.
Tudományos körökben azonnal eszébe jutott, hogy valami hasonlót már a régmúlt idők legnagyobb elméi mondtak. Például említettem az ógörög Pontus lakóit is, akik a téli horgászat során vizet melegítettek és nádat áztattak benne, hogy az gyorsabban megkeményedjen. Sok évszázaddal később Francis Bacon ezt írta: „Az enyhén hideg víz sokkal könnyebben megfagy, mint a teljesen hideg.”
Általában véve a kérdés egyidős a világgal, de ez csak felkelti az érdeklődést a megoldás iránt. Az elmúlt néhány évtizedben számos elmélet született az Mpemba-effektus magyarázatára. Közülük a legesélyesebbet 2013-ban a Nagy-Britannia Királyi Kémiai Társasága által szervezett gálaeseményen hirdették ki. A szakmai szövetség 22 000 (!) véleményt tanulmányozott, és ezek közül csak egyet azonosított, Nikola Bregovićé.
A horvát kémikus rámutatott a folyadék konvekciós és túlhűtésének fontosságára, amikor az fagy.
A Wikipédia így írja le ezeket a jelenségeket:
- A hideg víz felülről fagyni kezd, ezáltal lelassítja a hősugárzás és a konvekció folyamatait, és ezáltal a hőveszteséget, míg a meleg víz alulról kezd megfagyni.
- A túlhűtött folyadék olyan folyadék, amelynek hőmérséklete egy adott nyomáson alacsonyabb, mint a kristályosodási hőmérséklet. Túlhűtött folyadékot kapunk egy normál folyadékból kristályosodási centrumok hiányában történő hűtéssel.
Világszerte és egy 1000 GBP-s csekk jó jutalom volt. A győztest egyébként Erasto Mpemba és Denis Osborne köszöntötte.
scienceblogs.comMilyennek kell lennie a víz hőmérsékletének fagyás előtt?
Erre a kérdésre még mindig nincs egyértelmű válasz. Bár a Royal Society of Chemistry döntött, nem állította le teljesen a vitát. Még mindig új hipotéziseket állítanak fel és cáfolják.
Bár van egy kis nyom: a New Scientist népszerű tudományos magazin kutatásokat végzett, és arra a következtetésre jutott, hogy az Mpemba-effektus megismétléséhez két tartály 35 és 5 °C-os víz a legjobb feltételei.
Így, ha már nagyon kevés idő van hátra a buliig, öntsd olyan vízbe, amelynek hőmérséklete a meleg nyári szobahőmérséklethez mérhető. Jobb, ha nem használunk kút vagy hideg csapvizet.
Ez a történet több mint fél évszázaddal ezelőtt kezdődött, de a mai napig nem kapott megoldást. És mindez azért, mert bármennyire is próbálkozik kíváncsi elmék ezrei a bolygó minden tájáról, nem tudják megtalálni az egyetlen helyes megoldást Mpembára.
1963-ban egy feltűnést keltő afrikai diák, Erasto Mpemba észrevett egy furcsaságot: a meleg fagylaltkeverék gyorsabban fagy meg, mint a lehűtött.
A megfigyelés annyira hihetetlennek tűnt, hogy a fizikatanár csak nevetni tudott a szerencsétlen kísérletező felfedezésén. Erasto azonban biztos volt abban, hogy igaza van, és nem félt attól, hogy ismét nevetség tárgyává váljon: valamivel később csúszós kérdést tett fel Denis Osborne-nak, a tanzániai Dar es Salaam Egyetem professzorának. A tudós nem vont le elhamarkodott következtetéseket, és úgy döntött, hogy tanulmányozza a problémát. Aztán 1969-ben a Physics Education folyóirat Mpemba paradoxonát leíró anyagokat közölt.
Tudományos körökben azonnal eszébe jutott, hogy valami hasonlót már a régmúlt idők legnagyobb elméi mondtak. Például említettem az ógörög Pontus lakóit is, akik a téli horgászat során vizet melegítettek és nádat áztattak benne, hogy az gyorsabban megkeményedjen. Sok évszázaddal később Francis Bacon ezt írta: „Az enyhén hideg víz sokkal könnyebben megfagy, mint a teljesen hideg.”
Általában véve a kérdés egyidős a világgal, de ez csak felkelti az érdeklődést a megoldás iránt. Az elmúlt néhány évtizedben számos elmélet született az Mpemba-effektus magyarázatára. Közülük a legesélyesebbet 2013-ban a Nagy-Britannia Királyi Kémiai Társasága által szervezett gálaeseményen hirdették ki. A szakmai szövetség 22 000 (!) véleményt tanulmányozott, és ezek közül csak egyet azonosított, Nikola Bregovićé.
A horvát kémikus rámutatott a folyadék konvekciós és túlhűtésének fontosságára, amikor az fagy.
A Wikipédia így írja le ezeket a jelenségeket:
- A hideg víz felülről fagyni kezd, ezáltal lelassítja a hősugárzás és a konvekció folyamatait, és ezáltal a hőveszteséget, míg a meleg víz alulról kezd megfagyni.
- A túlhűtött folyadék olyan folyadék, amelynek hőmérséklete egy adott nyomáson alacsonyabb, mint a kristályosodási hőmérséklet. Túlhűtött folyadékot kapunk egy normál folyadékból kristályosodási centrumok hiányában történő hűtéssel.
Világszerte és egy 1000 GBP-s csekk jó jutalom volt. A győztest egyébként Erasto Mpemba és Denis Osborne köszöntötte.
scienceblogs.comMilyennek kell lennie a víz hőmérsékletének fagyás előtt?
Erre a kérdésre még mindig nincs egyértelmű válasz. Bár a Royal Society of Chemistry döntött, nem állította le teljesen a vitát. Még mindig új hipotéziseket állítanak fel és cáfolják.
Bár van egy kis nyom: a New Scientist népszerű tudományos magazin kutatásokat végzett, és arra a következtetésre jutott, hogy az Mpemba-effektus megismétléséhez két tartály 35 és 5 °C-os víz a legjobb feltételei.
Így, ha már nagyon kevés idő van hátra a buliig, öntsd olyan vízbe, amelynek hőmérséklete a meleg nyári szobahőmérséklethez mérhető. Jobb, ha nem használunk kút vagy hideg csapvizet.
Víz- rendkívül fontos anyag minden élőlény és az egész bolygó számára. Kizárólag a víz jelenlétének köszönhetően bolygónkon valaha élet keletkezhetett és kizárólag a fizikai és kémiai tulajdonságok víz, az élet lehetőséget kapott a fejlődésre és terjedésre. De gondoltál már ezekre a tulajdonságokra, feltetted-e magadnak a kérdést: „Miért változtatja meg a víz olyan könnyen fizikai állapotát, és mi teszi ezt lehetővé?”
Víz- bináris típusú szervetlen vegyület, pl. két különböző kémiai elem atomjai alkotják. Egy vízmolekula két hidrogénatomot és egy oxigénatomot tartalmaz.
A Földön a normál hőmérséklet és nyomás miatt a víz túlnyomó része folyékony állapotban van - körülbelül 98%, további 1,7% a gleccserekben és körülbelül 0,001% a légkörben található gáz halmazállapotú állapotban. Az, hogy egy viszonylag szűk hőmérsékleti tartományban (értsd: a Föld éghajlati viszonyaiban) három aggregátumforma létezik egyszerre, a vízmolekulák speciális fizikai szerkezetének és a köztük lévő kapcsolatoknak köszönhető.
A víz egyik aggregált állapotból a másikba való átmenetét annak fizikai tulajdonságai, különösen a molekuláris kötések jellemzői és tulajdonságaik bizonyos környezeti feltételek hatására bekövetkező változásai okozzák.
1 és 99 Celsius fok közötti hőmérsékleten A vízmolekulák a hőenergia miatt állandó mozgásban vannak. Ráadásul minden vízmolekula egyidejűleg kapcsolódik négy másik molekulához, ez a kapcsolat folyamatosan törekszik egy bizonyos rendezett szerkezet kialakítására, de a hőmozgás ezt megakadályozza. Ez az egész összetett tudományos „billibird” egy kicsit egyszerűbben magyarázható: minden vízmolekula kapcsolatban áll egymással, de egymáshoz viszonyított mozgásuk nem teszi lehetővé, hogy bármilyen konkrét szerkezetet vegyenek fel. Ez könnyen belátható egy példán keresztül: vizet önteni egy pohárba - a víz azonnal felveszi az üveg alakját, de önmagában nem tudja megtartani ezt az alakot.
Körülbelül így néznek ki a vízmolekulák folyékony állapotban. Mindegyik molekula négy másik molekulához kapcsolódik, és mindegyik állandó mozgásban van.
0°C-on a molekuláris kötések energiája kezd érvényesülni a hőmozgás energiájával szemben. Ennek eredményeként a hőenergia már nem akadályozza meg a szigorúan rendezett szerkezet kialakulását. A molekulák közötti távolság nő, a víz sűrűsége éppen ellenkezőleg, csökken és az ún. jég. A rendezett és stabil szerkezet kialakításának köszönhető, hogy a jég megőrzi alakját.
A víz kristályos rácsa. A piros golyók oxigénatomok, a szürke golyók hidrogénatomok. A szürke szaggatott vonalak hidrogénkötések.
0 °C hőmérsékleten a molekuláris kötések energiája érvényesül a hőmozgás energiájával szemben - semmi más nem zavarja a rendezett szerkezet kialakulását és az ún. a víz kristályszerkezete, vagy egyszerűen jég.
100 °C hőmérsékleten molekuláris kötések felbomlanak, aminek következtében a molekulák elválik egymástól és víz kerül a fázisba pár(gáz halmazállapotú). A kötések megszakításához nagy mennyiségű energia szükséges, pl. hőség.
Általánosságban elmondható, hogy a víz egyik aggregációs állapotból a másikba való átmenetét annak fizikai tulajdonságai okozzák, különös tekintettel a molekuláris kötések jellemzőire és tulajdonságainak bizonyos környezeti feltételek hatására bekövetkező változásaira.
Néhány érdekesség a víz fázisállapotairól:
Elgondolkozott már azon, hogy miért fagy meg a víz pontosan 0°C-on, és miért válik 100°C-on gőzállapotba? A helyzet az, hogy ezen értékek alapján Anders Celsius svéd tudós felépített egy „Celsius” hőmérsékleti skálát.
A 0 és 100 °C fagyasztó és forrásvíz esetén csak normál nyomásra (1 atmoszféra vagy 10 Pascal) érvényesek. A nyomás növekedésével a víz forráspontja és a jég olvadáspontja növekszik. Például 6 atmoszféra nyomáson a víz csak 158 Celsius-fokon kezd forrni.
A folyékony, gáz- és szilárd halmazállapoton kívül a víz más fázisokban is létezhet: túlhevített folyadékban, túltelített gőzben és túlhűtött folyadékban.
A víz egyidejűleg három aggregált fázisban lehet szigorúan meghatározott nyomás- és hőmérsékletértékeken. Ezt az állapotot " Három pont a víz"és 0,01 °C-on és 611,657 Pa nyomáson figyelhető meg.
Kapcsolatban áll
- 19307 megtekintés
A víz nemcsak az egyik legszükségesebb, hanem a legcsodálatosabb jelenség is bolygónkon.
Ismeretes, hogy gyakorlatilag minden természetes vagy mesterséges eredetű anyag képes különböző halmazállapotúak lenni, és a környezeti feltételektől függően megváltoztatni azokat. És bár a tudósok több mint egy tucat fázisállapotot ismernek, amelyek egy része csak laboratóriumon belül érhető el, a természetben leggyakrabban csak három ilyen állapot található: folyékony, szilárd és gáznemű. A víz mindhárom állapotában létezhet, természetes körülmények között egyikről a másikra változik.
A folyékony halmazállapotú vízben lazán kötött molekulák vannak, amelyek állandó mozgásban vannak, és megpróbálnak egy szerkezetbe csoportosodni, de ezt a hő miatt nem tudják megtenni. Ebben a formában a víz bármilyen formát felvehet, de önmagában nem képes megtartani. Hevítéskor a molekulák sokkal gyorsabban kezdenek el mozogni, távolodnak egymástól, és amikor a víz fokozatosan gáznemű halmazállapotúvá, azaz vízgőzné alakul, a molekulák közötti kötések végleg megszakadnak. Ha a vizet alacsony hőmérsékletnek teszik ki, a molekulák mozgása nagymértékben lelassul, a molekuláris kötések nagyon erőssé válnak, és a molekulák, amelyeket a hőhatások már nem akadályoznak, kristályos szerkezetbe rendeződnek. 
hatszög alakú szerkezet. Mindannyian láttunk hasonló hatszögeket hópelyhek formájában a földre hullani. A víz jéggé alakításának folyamatát kristályosodásnak vagy fagyasztásnak nevezik. Szilárd halmazállapotban a víz bármilyen formát megőrizhet sokáig.
A víz kristályosodási folyamata a Celsius-skálán 0 fokos hőmérsékleten kezdődik, amely 100 egység. Ezt a mérőrendszert számos európai országban és a FÁK-ban alkalmazzák. Amerikában a hőmérsékletet a Fahrenheit-skála segítségével mérik, amelynek 180 osztása van. Rajta keresztül a víz 32 fokos hőmérsékleten folyékonyból szilárdba megy át.
A víz azonban nem mindig fagy meg ezen a hőmérsékleten. A helyzet az, hogy a nagyon tiszta vízben nincsenek szennyeződések, amelyek a kristályos szerkezet felépítésének alapjául szolgálnának. A szennyeződések, amelyekhez a molekulák kapcsolódnak, lehetnek porszemcsék, oldott sók stb.
A víz sajátossága, hogy míg más anyagok fagyáskor zsugorodnak, addig jéggé alakulva éppen ellenkezőleg, kitágul. Ez azért történik, mert amikor a víz folyékonyból szilárdra változik, a molekulái közötti távolság kissé megnő. És mivel a jég sűrűsége kisebb, mint a víz, lebeg a felszínén.
A víz fagyásáról szólva nem szabad megemlíteni a Érdekes tény hogy a forró víz gyorsabban fagy meg, mint a hideg víz, bármilyen paradoxon hangzik is. Ezt a jelenséget már Arisztotelész idejében is ismerték, de sem a híres filozófusnak, sem követőinek nem sikerült megfejteniük ezt a rejtélyt, és a jelenség hosszú évekre feledésbe merült. Az emberek csak 1963-ban kezdtek újra beszélni róla, amikor egy tanzániai iskolás, Erasto Mpemba észrevette, hogy a fagylaltkészítés során a melegített tejből készült finomság gyorsabban megkeményedik. A fiú ezt elmondta a fizikatanárának, de az kinevette. Csak 1969-ben, amikor találkozott Dennis Osborne fizikaprofesszorral, a fiatalember közös kísérletek után megerősítést talált sejtéseire. Azóta számos hipotézis született ezzel a jelenséggel kapcsolatban, például, hogy a forró víz a gyors elpárolgása miatt gyorsabban fagy meg, ami a víz térfogatának csökkenéséhez és ennek következtében gyorsabb fagyáshoz vezet. De egyikük sem tudta megmagyarázni ennek a jelenségnek a természetét.
|
11.03.2015 21:11
|
Hasonló cikkek
