Hur förvandlas vatten till is? Varför fryser vattnet ovanpå? Att förvandla vatten till is.

Det första vintertecknet är is som flyter på ytan av dammar och sjöar. Det kan tyckas trivialt och inte särskilt viktigt, men om vatten betedde sig som nästan alla andra vätskor skulle ingen kunna åka skridskor på dammen, eftersom isen skulle sjunka till botten direkt efter bildandet. Ännu värre är att jorden i detta fall verkar vara en livlös öken, eftersom det mesta av vattnet skulle ligga i form av is på botten av hav, sjöar och floder.

De flesta vätskor drar ihop sig när de kyls, minskar i volym och ökar i densitet. Till exempel sjunker hårt ljus till botten av en skål med varmare smält vax. Vatten komprimeras också, men bara tills det når 4°C (39°F). Under denna temperatur börjar vattnet expandera och dess densitet minskar. Därför är is lättare än vatten nära fryspunkten, och som ett resultat flyter den.

Hur vatten fryser

Dammvatten kylt till 4°C (39°F) blir tätare och sjunker till botten. Varmare och därför lättare vatten stiger upp till ytan, svalnar och även sjunker.
När den sista delen av vattnet har svalnat till 4°C (39°F), upphör konvektionen, som får kallt vatten att sjunka och varmare vatten att stiga. I detta fall har allt vatten samma temperatur. Vattnets densitet är också densamma.
När vattnet i ytskiktet svalnar under 4°C (39°F) expanderar det och blir mindre tätt. Eftersom vatten vid 3°C (37°F) är lättare än vid 4°C (s39°F), blir kallare vatten kvar på toppen.
Ytskiktet av vatten fortsätter att svalna med en ytterligare minskning av densiteten. Slutligen, vid 0°C (32°F), förvandlas ytskiktet av vatten till is.

Termisk expansion och vattentäthet

Vid temperaturer över 4°C (39°F) drar vattnet ihop sig när det svalnar och når sin högsta densitet vid 4°C. Men om kylningen fortsätter och temperaturen sjunker under 4°C börjar vattnet expandera och dess densitet minskar. Densiteten är kvantitativt lika med massan per volymenhet av ett ämne och mäts vanligtvis i g/cm 3 .

Vax och is fryser olika

En utbuktning bildas på ytan av isbiten (vänster figur) eftersom vattnet i mitten av isbiten är det sista som fryser och expanderar när det fryser och kan bara stiga uppåt. Däremot bildas en fördjupning i toppen av vaxkuben eftersom vaxet (mellanfiguren) krymper efter stelning. Vätskor som drar ihop sig jämnt när de fryser (höger figur) bildar en konkav yta.

Säsong och vattentemperatur i sjön

På sommaren är vattnet varmare vid ytan än på djupet. På vintern kan sjön bli täckt av is, och vattnet i djupet blir varmare än på ytan.

Den här historien började för mer än ett halvt sekel sedan, men har inte fått något resultat än i dag. Och allt för att, oavsett hur hårt tusentals nyfikna hjärnor från hela planeten försöker, kan de inte hitta den enda rätta lösningen för Mpemba.

1963 märkte en oansenlig afrikansk student vid namn Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) en märklighet: varm glassmix härdar snabbare än kyld.

Observationen verkade så osannolik att läraren i fysik bara kunde skratta åt upptäckten av den olyckliga experimenteraren. Erasto var dock säker på att han hade rätt och var inte rädd för att bli till åtlöje igen: lite senare ställde han en hal fråga med Denis Osborne, professor vid University of Dar es Salaam, Tanzania. Forskaren skyndade sig inte till slutsatser och bestämde sig för att studera problemet. Efter det, 1969, publicerade tidskriften Physics Education ett material som beskrev Mpemba-paradoxen.

I vetenskapliga kretsar påminde de sig omedelbart att något liknande redan hade sagts av det förflutnas största hjärnor. Till exempel nämnde han också invånarna i antikens grekiska Pontus, som under vinterfisket värmde vatten och blötlade vass i det för att det skulle hårdna snabbare. Århundraden senare skrev Francis Bacon: "Lätt kallt vatten fryser mycket lättare än helt kallt vatten."

I allmänhet är frågan lika gammal som världen, men detta väcker bara intresset för lösningen. Under de senaste decennierna har många teorier lagts fram för att förklara Mpemba-effekten. De mest troliga av dem tillkännagavs 2013 vid ett galaevenemang som hölls av Royal Society of Chemistry of Great Britain. Yrkesföreningen studerade 22 000 (!) åsikter och pekade ut bland dem endast en som tillhör Nikola Bregović.

Den kroatiske kemisten påpekade vikten av processerna för konvektion och underkylning av en vätska när den fryser.

Så här beskrivs dessa fenomen i Wikipedia:

Kallt vatten börjar frysa från ovan, vilket saktar ner processerna för termisk strålning och konvektion, och därmed förlusten av värme, medan varmt vatten börjar frysa underifrån.
En underkyld vätska är en vätska som har en temperatur under kristallisationstemperaturen vid ett givet tryck. En underkyld vätska erhålls från en normal vätska genom kylning i frånvaro av kristallisationscentra.

Den universella och en check på 1 000 pund var en bra belöning. Vinnaren hälsades förresten av Erasto Mpemba och Denis Osborne.

scienceblogs.com

Vilken temperatur ska vattnet ha innan frysning

Det finns fortfarande inget klart svar på denna fråga. Royal Society of Chemistry, även om det var bestämt, stoppade inte helt tvisterna. Hittills har nya hypoteser framförts och förnekelser hörs.

Även om det finns en liten ledtråd: den populärvetenskapliga tidningen New Scientist gjorde forskning och kom till slutsatsen att de bästa förutsättningarna för att replikera Mpemba-effekten är två behållare med vatten med en temperatur på 35 och 5 ° C.

Så om det är väldigt lite tid kvar innan festen, häll den i vatten, vars temperatur är jämförbar med rumstemperaturen under den varma sommaren. Tja eller kallt kranvatten är bättre att inte använda.

1963 märkte en oansenlig afrikansk student vid namn Erasto Mpemba (Erasto Mpemba) en märklighet: varm glassmix härdar snabbare än kyld.

Den kroatiske kemisten påpekade vikten av processerna för konvektion och underkylning av en vätska när den fryser.

Så här beskrivs dessa fenomen i Wikipedia:

Kallt vatten börjar frysa från ovan, vilket saktar ner processerna för termisk strålning och konvektion, och därmed förlusten av värme, medan varmt vatten börjar frysa underifrån.
En underkyld vätska är en vätska som har en temperatur under kristallisationstemperaturen vid ett givet tryck. En underkyld vätska erhålls från en normal vätska genom kylning i frånvaro av kristallisationscentra.

Den universella och en check på 1 000 pund var en bra belöning. Vinnaren hälsades förresten av Erasto Mpemba och Denis Osborne.

scienceblogs.com

Vilken temperatur ska vattnet ha innan frysning

Vatten- en viktig substans för alla levande varelser och för hela planeten som helhet. Det var enbart på grund av närvaron av vatten på vår planet som livet en gång kunde uppstå, och det var enbart på grund av vattnets fysiska och kemiska egenskaper som livet kunde utvecklas och spridas. Men har du någonsin tänkt på just dessa egenskaper, har du ställt dig själv frågan: "Varför ändrar vatten sina fysiska tillstånd så lätt och vad gör att det kan göra detta?"

Vatten- oorganisk förening av binär typ, dvs. bildas av atomer av två olika kemiska grundämnen. En vattenmolekyl innehåller två väteatomer och en syreatom.

På jorden, på grund av normal temperatur och tryck, är den stora majoriteten av vattnet i flytande tillstånd - cirka 98%, ytterligare 1,7% faller på glaciärer och cirka 0,001% finns i atmosfären i ett gasformigt tillstånd. Förekomsten av tre aggregatformer samtidigt i ett relativt smalt temperaturområde (vilket betyder jordens klimatförhållanden) beror på den speciella fysiska strukturen hos vattenmolekyler och bindningarna mellan dem.

Övergångarna av vatten från ett aggregationstillstånd till ett annat beror på dess fysikaliska egenskaper, i synnerhet egenskaperna hos molekylära bindningar och förändringar i deras egenskaper under påverkan av vissa miljöförhållanden.

Vid temperaturer från 1 till 99 grader Celsius Vattenmolekyler är i konstant rörelse på grund av termisk energi. Samtidigt är varje vattenmolekyl ansluten samtidigt med fyra andra molekyler, denna bindning strävar hela tiden efter att bilda en viss ordnad struktur, men termisk rörelse förhindrar detta. All denna komplexa vetenskapliga "miljard" kan förklaras lite lättare: alla vattenmolekyler är sammankopplade, men deras rörelse i förhållande till varandra tillåter dem inte att ta på sig någon speciell struktur. Detta kan lätt ses genom ett exempel, att hälla vatten i ett glas - vattnet kommer omedelbart att ta formen av ett glas, men det kan inte hålla denna form av sig självt.

Så här ser vattenmolekyler ut i flytande tillstånd. Varje molekyl är kopplad till fyra andra, och de är alla i konstant rörelse.

Vid 0 °С energin av molekylära bindningar börjar dominera över energin i termisk rörelse. Som ett resultat förhindrar termisk energi inte längre bildandet av en strikt ordnad struktur. Avståndet mellan molekylerna ökar, vattnets densitet tvärtom minskar och den så kallade, eller helt enkelt is. Det är tack vare bildandet av en ordnad och stabil struktur som isen kan hålla sin form.

Kristallgittret av vatten. De röda kulorna är syreatomer, de gråa är väteatomer. Grå prickade linjer är vätebindningar.

Vid en temperatur på 0 °C råder energin av molekylära bindningar över energin av termisk rörelse, - inget annat stör bildandet av en ordnad struktur, och den s.k. vattens kristallstruktur, eller helt enkelt is.

Vid en temperatur av 100 °C molekylära bindningar bryts, vilket resulterar i att molekylerna separeras från varandra och vattnet går in i fasen par(gasformigt tillstånd). För att bryta bindningar behövs en stor mängd energi, d.v.s. värme.

Som en generalisering kan vi säga att övergångarna av vatten från ett aggregationstillstånd till ett annat beror på dess fysikaliska egenskaper, särskilt egenskaperna hos molekylära bindningar och förändringen i deras egenskaper under påverkan av vissa miljöförhållanden.

Några intressanta fakta om fastillstånden för vatten:

Har du någonsin undrat varför vatten fryser vid exakt 0°C och förångas vid 100°C? Faktum är att på basis av dessa värden byggdes temperaturmätningsskalan "i Celsius" av den svenske forskaren Anders Celsius.

Värdena på 0 och 100 °C för frys- respektive kokande vatten gäller endast för standardtryck (1 atmosfär eller 10 Pascal). När trycket ökar stiger vattnets kokpunkt och isens smältpunkt. Till exempel, vid ett tryck på 6 atmosfärer, börjar vattnet bara koka vid 158 grader Celsius.

Förutom det flytande, gasformiga och fasta tillståndet kan vatten förekomma i andra faser: överhettad vätska, övermättad ånga och underkyld vätska.

Vatten kan samtidigt vara i tre aggregatfaser vid strikt definierade tryck- och temperaturvärden. Detta tillstånd kallas Trippelpunkt vatten" och observeras vid 0,01°C och 611,657 Pa.

I kontakt med

19307 visningar

Vatten är inte bara ett av de mest nödvändiga utan också de mest fantastiska fenomenen på vår planet.

Det är känt att praktiskt taget alla ämnen av naturligt eller artificiellt ursprung kan vara i olika aggregationstillstånd och ändra dem beroende på miljöförhållanden. Och även om forskare känner till mer än ett dussin fastillstånd, av vilka några endast kan erhållas inom laboratoriet, finns bara tre sådana tillstånd oftast i naturen: flytande, fast och gasformig. Vatten kan vara i alla dessa tre tillstånd och passera från en till en annan under naturliga förhållanden.

Vatten i flytande tillstånd har löst bundna molekyler som är i konstant rörelse och försöker samla sig i en struktur, men som inte kan göra det på grund av värmen. I denna form kan vatten ta absolut vilken form som helst, men kan inte hålla det på egen hand. Vid uppvärmning börjar molekylerna röra sig mycket snabbare, de rör sig bort från varandra, och när vattnet gradvis förvandlas till ett gasformigt tillstånd, det vill säga omvandlas till vattenånga, bryts bindningarna mellan molekylerna slutligen. När vatten utsätts för låga temperaturer saktar molekylernas rörelse ner kraftigt, molekylära bindningar blir mycket starka och molekyler, som inte längre störs av värme, ordnas till en kristallin hexagonal struktur. Vi har alla sett liknande hexagoner falla till marken i form av snöflingor. Processen att förvandla vatten till is kallas kristallisering eller stelning. I fast tillstånd kan vatten behålla vilken form det tar under lång tid.

Processen för kristallisering av vatten börjar vid en temperatur på 0 grader Celsius, som har 100 enheter. Detta mätsystem används i många europeiska länder och i OSS. I Amerika mäts temperaturen med hjälp av Fahrenheit-skalan, som har 180 divisioner. Genom det passerar vatten från ett flytande tillstånd till ett fast tillstånd vid 32 grader.

Vatten fryser dock inte alltid vid dessa temperaturer, så mycket rent vatten kan underkylas till en temperatur på -40 ° C och det fryser inte. Faktum är att i mycket rent vatten finns det inga föroreningar som fungerar som grund för att bygga en kristallin struktur. Föroreningar som molekyler är fästa på kan vara dammpartiklar, lösta salter etc.

En egenskap hos vatten är det faktum att medan andra ämnen komprimeras vid frysning, expanderar det tvärtom när det omvandlas till is. Detta beror på att när vatten passerar från en flytande till ett fast tillstånd, ökar avståndet mellan dess molekyler något. Och eftersom is har en lägre densitet än vatten flyter den på sin yta.

På tal om frysning av vatten är det omöjligt att inte nämna det intressant fakta att varmt vatten fryser snabbare än kallt vatten, hur paradoxalt det än kan låta. Detta fenomen var känt redan på Aristoteles tid, men varken den berömde filosofen eller hans anhängare lyckades reda ut detta mysterium och fenomenet glömdes bort under många år. De började prata om det igen först 1963, när Erasto Mpemba, en student från Tanzania, märkte att när man tillverkar glass, stelnar en delikatess gjord av värmd mjölk snabbare. Pojken berättade detta för sin fysiklärare, men han skrattade åt honom. Först 1969, efter att ha träffat fysikprofessorn Dennis Osborne, kunde den unge mannen hitta bekräftelse på sin gissning efter gemensamt genomförda experiment. Sedan dess har många hypoteser framförts angående detta fenomen, till exempel att varmvatten fryser snabbare på grund av dess snabba avdunstning, vilket leder till en minskning av vattenvolymen och som ett resultat en snabbare stelning. Men ingen av dem kunde inte förklara karaktären av detta fenomen.

11.03.2015 21:11
Allvarligt? Fryser varmt vatten snabbare än kallt vatten? Ha ha ha.
Brad är komplett.
Låt oss komma ihåg ett sådant koncept från fysiken som värmeledningsförmåga (Cp), och komma ihåg vad det är. Och detta är mängden värme som måste bringas till 1 kg av ett ämne för att värma det med 1 grad (celsius / kelina, det är ingen skillnad).
Det är logiskt att för att kyla 1 kg av ett ämne med 1 grad är det nödvändigt att ta bort från detta ämne en energi lika med Cp.
Det vill säga att för att kyla varmvatten behöver du ta mycket mer energi än att kyla vatten i rumstemperatur. Det kommer inte att fungera snabbare. Och det faktum att avdunstning och så vidare, det sker bara i ett litet temperaturområde. Eftersom intensiv avdunstning sker vid 100 grader Celsius, minskar förångningen kraftigt.
Som ett resultat fryser varmt vatten aldrig snabbare än kallt vatten.