Чтобы не замерзла вода физика

Вода при замерзании расширяется или сжимается: простая физика

Многие юные почемучки задаются вопросом: при замерзании вода расширяется или сжимается? Ответ следующий: с приходом зимы вода начинает свой процесс расширения. Почему это происходит? Это свойство выделяет воду из списка всех остальных жидкостей и газов, которые, наоборот, сжимаются при охлаждении. В чем заключается причина такого поведения этой необычной жидкости?

Физика 3 класса: вода при замерзании расширяется или сжимается?

Большинство веществ и материалов увеличиваются в объеме при нагревании и уменьшаются при охлаждении. Газы этот эффект показывают более заметно, но различные жидкости и твердые металлы проявляют такие же свойства.

Одним из наиболее ярких примеров расширения и сжимания газа является воздух в воздушном шаре. Когда мы выносим воздушный шар на улицу в минусовую погоду, то шар сразу уменьшается в размерах. Если мы шар вносим в отапливаемое помещение, то он сразу же увеличивается. А вот если мы внесем воздушный шар в баню — он лопнет.

Молекулы воды требуют больше места

Причиной тому, что происходят эти процессы расширения и сжатия различных веществ, являются молекулы. Те из них, которые получают больше энергии (это происходит в теплом помещении), двигаются намного быстрее, чем молекулы, находящиеся в холодном помещении. Частицы, которые имеют большую энергию, сталкиваются намного активнее и чаще, им необходимо больше места для движения. Чтобы сдержать то давление, которое оказывают молекулы, материал начинает увеличиваться в размерах. Причем это происходит достаточно стремительно. Итак, вода при замерзании расширяется или сжимается? Почему это происходит?

Вода не подчиняется этим правилам. Если мы начинаем охлаждать воду до четырех градусов Цельсия, то она уменьшает свой объем. Но если температура продолжает падать, то вода вдруг начинает расширяться! Существует такое свойство, как аномалия плотности воды. Это свойство возникает при температуре в четыре градуса Цельсия.

Теперь, когда мы выяснили, расширяется или сжимается вода при замерзании, давайте узнаем, как вообще возникает эта аномалия. Причина таится в частицах, из которых она состоит. Молекула воды создана из двух атомов водорода и одного — кислорода. Формулу воды все знают еще с начальных классов. Атомы в этой молекуле притягивают электроны по-разному. У водорода создается положительный центр тяжести, а у кислорода, наоборот — отрицательный. Когда молекулы воды сталкиваются друг с другом, то атомы водорода одной молекулы переходят на атом кислорода совершенно другой молекулы. Этот феномен называется водородной связью.

Воде нужно больше места при ее охлаждении

В тот момент, когда начинается процесс формирования водородных связей, в воде начинают возникать места, где молекулы находятся в том же порядке, что и в кристалле льда. Эти заготовки называются кластерами. Они не прочны, как в твердом кристалле воды. При повышении температуры они разрушаются и меняют свое местоположение.

Во время процесса охлаждения воды начинает стремительно увеличиваться количество кластеров в жидкости. Они требуют больше пространства для распространения, вследствие этого вода и увеличивается в размерах после достижения своей аномальной плотности.

При падении столбика термометра ниже нуля кластеры начинают превращаться в мельчайшие кристаллы льда. Они начинают подниматься вверх. Вследствие всего этого вода превращается в лед. Это очень необычная способность воды. Данный феномен необходим для очень большого количества процессов в природе. Мы все знаем, а если не знаем, то запоминаем, что плотность льда незначительно меньше плотности прохладной или же холодной воды. Благодаря этому лед плавает на поверхности воды. Все водоемы начинают замерзать сверху вниз, что позволяет спокойно существовать и не замерзать водным обитателям на дне. Итак, теперь мы в подробностях знаем о том, расширяется или сжимается вода при замерзании.

Интересный феномен

Горячая вода замерзает быстрее холодной. Если мы возьмем два одинаковых стакана и нальем в один горячей воды, а в другой столько же холодной, то мы заметим, что горячая вода замерзнет быстрее, чем холодная. Это не логично, согласитесь? Горячей воде нужно остыть, чтобы начинать замерзать, а холодной этого не нужно. Как объяснить данный факт? Ученые по сей день не могут объяснить эту загадку. Данный феномен имеет название «Эффект Мпембы». Открыт был в 1963 году ученым из Танзании при необычном стечении обстоятельств. Студент хотел сделать себе мороженое и заметил, что горячая вода замерзает быстрее. Об этом он поделился со своим учителем физики, который сначала не поверил ему.

Источник

Какая температура замерзания воды под давлением и для чего это необходимо знать?

Многие помнят из курса школьной физики о том, что температура замерзания воды составляет 0°.

На самом деле это определение нуждается в уточнении – при условии воздействия нормального атмосферного давления. Последнее в значительной степени можно считать условной величиной.

О том, какова температура замерзания воды, находящейся под давлением, расскажем в статье.

Замерзает ли?

При атмосферном давлении в 760 мм рт.ст (или 0,101 МПа), вода превращается в лед уже при 0°С, как известно из школьного курса.

Но при уменьшении этого показателя меняется и точка кипения, и t°, при которой происходит превращение в лед – последняя как раз повышается.

В горах, где разреженный воздух, на определенной высоте она может уже составлять +2…+4°С. И наоборот, чем больше среда давит на воду, тем ниже находится точка замерзания на графиках.

Интересно, что при давлении в 611,73 Па совпадают температура кипения воды и плавления льда. Она составляет +0,01°С. Этот показатель называют тройной точкой воды из-за того, что она находится сразу в трех состояниях.

Считается, что при более низком показателе она просто не сможет сохранять жидкое состояние и будет превращаться в водяной пар. Причем температура плавления льда и точка замерзания воды обычно не совпадают, это разные величины.

Хотя для удобства бытовых расчетов их часто отождествляют, поскольку при 760 мм рт.ст. они как раз будут одинаковыми.

Кроме того, возможно получение и нестабильного состояния – переохлажденной жидкости. Но если в ней появится центр кристаллизации, она сразу же превратится в лед.

Температура в зависимости от показателя

Чтобы четко определить температуру замерзания, нужно сначала понять, как связаны эти 2 параметра.

Как они взаимосвязаны?

При увеличении давления, температура замерзания снижается, при уменьшении – t° растет. Существуют специальные формулы, которые помогают рассчитать конкретное значение.

Таблица таких соотношений выглядит следующим образом:

Температура, °С	Давление, мПа
0	0,1
-1	1
-2	30
-3	40
-4	50
-5	60
-10	110
-22	210

Как происходит процесс?

Снижение температуры замерзания при увеличении давления имеет физическое обоснование.

Пресная жидкость при замерзании расширяется примерно на 10%. У соленой морской воды расширение будет меньшим, но оно все равно происходит.

Поэтому, когда внешнее давление растет, то температура замерзания снижается. Суть процесса замерзания состоит в кристаллизации воды.

Но в отличие от других жидкостей, вязкость воды при увеличении давления уменьшается. Что и обусловило более медленные процессы кристаллизации.

Это объясняется структурными особенностями молекул и некоторыми механизмами взаимодействия между ними. Для того, чтобы процесс начался, нужен центр кристаллизации, состоящий из нескольких десятков молекул.

Каково давление замерзающей жидкости?

Давление замерзающей воды обусловлено тем, что происходит ее расширение. Однако давление она оказывает и в жидком виде, просто при отрицательных температурах оно увеличивается примерно на 10%.

Как влияет тип воды?

Дистиллированная влага в принципе замерзает медленнее даже при нормальном атмосферном давлении. В отличие от других видов пресной воды, она не содержит сторонних примесей.

В ней отсутствуют ядра кристаллизации, и поэтому она замерзает только при очень низких температурах – эксперименты показали, что при -42°С.

Физики называют такую жидкость переохлажденной. Любопытно, что если постучать по сосуду с такой дистиллированной водой, она практически моментально превратится в лед.

В лабораторных условиях проводились эксперименты, при которых давление увеличивали до очень высоких значений, так что дистиллят замерзал только при -70°С.

Что касается остальных растворов, то здесь, помимо давления, важную роль играет еще и плотность – например, у соленой воды она намного выше.

Но при этом при отрицательных температурах частицы соли как бы выталкиваются. И если растопить многолетний морской лед, то окажется, что он состоит из пресной воды, даже пригодной для питья.

Применение знаний в быту человека

В основном сведения о температуре замерзания воды нужны тем, кто сталкивается с прокладкой водопровода.

Как правило, ее замерзание в таких случаях проходит не на подземном участке трубы, а над поверхностью почвы, и далее идет процесс кристаллизации уже в наземном участке.

Чтобы этого не происходило, поскольку замерзание и расширение воды выводит из строя всю систему и нарушает целостность труб, принимают активные и пассивные меры – от утепления трубы до специально обустроенной системы обогрева.

Но очень важно с самого начала правильно сделать расчеты, подбирая производительность оборудования и диаметр труб таким образом, чтобы создать такое давление, при котором вода не будет замерзать при климатических условиях, характерных для этого региона.

Заключение

Температура замерзания воды под давлением – вопрос более сложный, чем могло бы показаться на первый взгляд. Иногда даже в быту для ее расчета нужно применять громоздкие формулы или готовые таблицы соотношений.

Источник

А что нам говорит физика о замерзании воды.

Вот, есть два варианта
1. вода в системе отопления просто стоит (насос её не гоняет)
2. вода в системе гоняется насосом

Ну, и предположим в этих условиях температура падает ниже нуля.
При равных условиях вода в обеих системах одновременно замёрзнет (в первом приближении) или будет заметная разница?

Спрашиваю, так как, например, если вырубили электричество и есть АКБ, можно ли таким образом гонять воду в трубах, чтобы хоть как-то продержаться пока электросети восстанавливают электроснабжение.
Например как после вчерашней бури, когда вчера вечером как вырубилось и до сих пор «фигвам».

Re:А что нам говорит физика о замерзании воды. > Ну, и предположим в этих условиях температура падает ниже нуля.
> При равных условиях вода в обеих системах одновременно замёрзнет (в первом приближении) или будет заметная разница?

вне всякого сомнения разница будет.

Во первых при циркуляции, вода в системе остывает равномерно.
Выделение тепла, в разных точках, отличается сильно.

Например в хорошо утепленной комнате, без сквозняков,температура будет падать значительно медленее, чем в котельной с большим объемом естественной вентиляции через дымоход.
Т.е. во всем доме может быть положительная температура, а в котле уже минус, особенно если топочный воздух забирается с улицы.

В таком случае сохранившаяся циркуляция будет перекачивать тепло из более теплых помещений в менее теплые.

Особено сильно значение этого фактора возрастает в связи с большим порогом потери тепла при кристаллизации.

Т.е. без циркуляции локальное образование льда будет зависить только от теплоемкости воды в локальном участке(наример 100 мл) , а при циркуляции уже задействована вся система (у меня 100литров)

Я бы предположил увеличение живучести стандартной системы отопления дня на 3.

Источник

Почему вода превращается в лед не при 0 градусов

Стандартное утверждение о том, что вода замерзает при достижении температуры в 0 градусов Цельсия, на самом деле некий стереотип. Температурных порогов, при которых замерзает вода, существует не так уж мало, и зависят они от разных свойств воды и окружающей обстановки. К примеру, чистая вода может даже замерзнуть при -42°С, в зависимости от условий, в которых она охлаждается.

Почему так происходит

Для формирования кристаллов льда могут использоваться различные частицы и дефекты тары

Чтобы кристаллы льда сформировались, необходима основа, а ею могут стать различные вещества и мелкие тела, например, пылевые частицы. А ожидать, что чистая вода замерзнет, согласно распространенному мнению, при нулевой температуре, не стоит. Ядрами кристаллизации, как известно из курса физики, могут выступать растворенные в воде минеральные и органические частицы, но и не только они.

Кристаллизация может «выбрать» в качестве основы различные дефекты тары, в которой вода в этот момент находится, такие как сколы и трещины, а также воздушные пузырьки. Кстати, так как у горячей воды число ядер кристаллизации больше, то и замерзает она быстрее, чем холодная. Этот интересный факт известен любому старшекласснику. Если сосуд чист, и сама вода тоже, то она может какое-то время при отрицательной температуре находиться в обычном жидком состоянии. Но оно считается неустойчивым, потому что стоит появиться какой-либо посторонней частице, например, пылинке, как вокруг нее немедленно начнет образовываться ледяной кристалл, и вся остальная вода вокруг тоже становится льдом.

Источник

Чтобы не замерзла вода физика

И вот, начались отрицательные температуры. Сегодня под утро обещают до -3, и уже сейчас на термометре 0.

Выпал снег, и появилась угроза замерзания воды в садовом водопроводе:

Компостная куча и деревья в снегу:

Ветви ели и электрические провода в снегу:

Все сливают воду из летних водопроводов. Я пока не слил, и на то у меня есть две причины — побудительная и рассудительная. Побудительная — не хочется несколько дней до намеченного отъезда в город пользоваться холодным рукомойником. А рассудительная причина объясняет, почему этого можно действительно не делать.

Начну с того, что на даче я живу только в тёплое время года, когда температуры воздуха исключительно положительные. Дом у меня хотя и утеплённый, но по своим теплоизоляционным характеристикам не предназначен для зимнего проживания. Да, он утеплён слоями пенопласта и фольгированной изоляцией, но это утепление недостаточно для существенных температурных минусов. Поэтому и с водопроводом я особенно не стал заморачиваться. Погружной насос в колодце накачивает воду в гидроаккумулятор, находящийся в неотапливаемом хозблоке, по трубе ПНД диаметром 32 мм, а раздача на восемь точек на участке идёт трубами ПНД диаметром 25 мм. Трубы, где они не мешают, лежат прямо на поверхности земли, а в других местах просто слегка углублены в грунт.

Из школьного курса физики я точно знаю, что точка перехода воды из жидкого состояния в твёрдое находится на отметке 0 градусов. Но что-то мне подсказывало, что температура замерзания воды в трубе будет немного ниже. Чётко объяснить причину такого ощущения я не мог, и полез в Интернет, чтобы узнать точно, при какой температуре вода в трубах реально замерзает. И действительно, я нашёл информацию, что для замерзания воды в трубе нужны температуры -5 — -7 градусов, стоящие в течение несколько дней! Не знаю, насколько это правда, но это означало, что, по крайней мере, одну ночь при температуре -3 водопровод точно должен выдержать.

То, что чёрная пластиковая труба ПНД идёт в верхнем плодородном слое земли, в котором продолжают происходить процессы гниения с непременным выделением тепла, внушает мне дополнительный оптимизм. Ну и, наконец, я особенно ничем не рискую — труба ПНД переносит достаточное количество циклов замерзания-оттаивания воды в ней. Максимум что может произойти — ослабнут фитинги, но их всегда можно подкрутить. Гидроаккумулятор стоит хоть в неотапливаемом, но закрытом помещении, что тоже должно способствовать его защите от небольшого минуса. В общем, я решил пока что воду не сливать. Хотя тревожат закрытые шаровые краны, те, что на улице. Пожалуй, это единственное слабое место. Если они не переживут ночь, придётся думать дальше. Но эксперимент есть эксперимент. Завтра отпишусь о результатах (если будет время в перерывах между проливами труб кипятком )))

P.S.: Знаю ещё, что не замерзает текущая вода. Видимо потому, что не успевает выстроится кристаллическая решётка. Ну и если речь о водопроводе, то новые порции воды всегда на несколько градусов теплее нуля. Так, на дне колодца температура воды около +4 градусов. Так что при экстремальном минусе можно немного приоткрыть краники на концах раздаточных водопроводных линий. Главное, чтобы вода в колодце не кончилась )))

А вот статическое давление на температуру замерзания влияет очень слабо. Так, чтобы точку замерзания сместить на 1 градус ниже нуля, нужно 130 атмосфер. В водопроводе же всего около 3 атмосфер. Так что часто встречающийся в Интернете и безбожно растиражированный бред про незамерзающие из-за давления колонки в деревнях — полная чушь. В колонке выше глубины промерзания грунта воды просто нет. Она там появляется только при нажатии на рычаг, и стекает обратно при его отпускании. Чтобы убедиться в этом, достаточно посчитать количество времени, проходящее между нажатием на рычаг и появлением из колонки воды, или просто изучить конструкцию колонки в Интернете.

UPD 18.10.2014 18:10:

Отчитываюсь. Ночью было -1,5 градуса.

1. Трубы ПНД диаметром 32 и 25 мм, проложенные просто по земле, а также слега присыпанные землёй не замёрзли. То же и с трубами рядом со стенами неотапливаемых помещений, расположенных у меня до высоты 150 см. То есть трубы ПНД никакие не замёрзли нигде несмотря на полное отсутствие в них движения воды.
2. Закрытые шаровые краны 15 мм (1/2″) замёрзли, но их не порвало. Очень быстро оттаили после полива их сверху горячей водой.
3. Узкие гибкие подводки и керамические краны рукомойника замёрзли, но тоже быстро оттаили после полива их сверху горячей водой.
4. Гидроаккумулятор 50 литров в неотапливаемом помещении не замёрз.
5. Температура в 30-литровом бойлере, установленном в неотапливаемом душе, за ночь упала с 75 до 45 градусов.

Таким образом констатирую, что несмотря на критичную температуру -1,5 градуса, система выдержала. А вот на участке catslover ситуация иная. Там труба ПНД 25 мм, проложенная в 2 метрах над землёй не замёрзла, а такая же труба, проложенная по забору в 50-80 см над землёй — замёрзла. Возможно, в полуметре над землёй температура ниже, чем на высоте 2 метров, а у самой земли температура снова поднимается за счёт выделения тепла из недр, тепла, накопленного за день, а также за счёт выделения тепла в процессе гниения органики в плодородном слое.

Сейчас температура держится у отметки -0,5 градусов. Ещё утром все шаровые краны и краны уличного умывальника я немножко приоткрыл, чтобы из них тоненькой струйкой сочилась вода. За день они не замёрзли. Надеюсь, что в таком режиме они переживут и ночь. Расход воды небольшой, колодец опустошиться не должен. О том, как система переживёт вторую ночь отрицательных температур, отпишусь завтра.

UPD 19.10.2014 02:10:

В общем, эксперимент пришлось прервать из-за отсутствия достаточного количества воды в колодце )))
У меня из 8 точек разбора воды 7 находятся на улице. Поскольку они все были приоткрыты во избежание порчи шаровых кранов, то за день они высосали у меня весь колодец! Осень была довольно сухая, и дебет колодца сейчас весьма низок. В итоге я слил таки всю воду из системы и вытащил насос.

В следующем году думаю докупить 15 метров ПНД 25 мм и пару шаровых, и разделить всю свою систему на 2 части — дом и всё остальное. При минусах буду сливать всё, кроме линии на дом. Если 7 струек выкачали колодец за 10 часов, то одна струйка выкачает его за 3 дня. Возможно, в этом случае дебет колодца будет достаточным для того, чтобы он успевал восполнять выкаченное. Вот так )

UPD 19.10.2014 17:10:

Интересное наблюдение. Ночью было -7,5 градусов. На бочках лёд около 2 сантиметров, причём и сверху, и на стенках. А вот на дне нет! Значит, тепло от земли идёт. Стало быть, правильно я водопровод по земле проложил, а не по забору. А ведь хотел по забору.

Источник