Как получить переохлажденную воду

Физики впервые получили воду в новом агрегатном состоянии. Раньше о нем догадывались только в теории

Американские ученые впервые получили переохлажденную воду. Об этом сообщили авторы эксперимента, исследователи Городского университета Нью-Йорка (CUNY), опубликовав статью в журнале Science.

Полученная жидкость не замерзает при температуре –68°С. Ее изучение позволило доказать, что вода на самом деле состоит как минимум из двух разных типов жидкости, обладающих разными физическими свойствами.

«Пытаясь объяснить некоторые аномальные свойства воды при помощи расчетов на суперкомпьютерах, теоретики еще 30 лет назад предположили, что жидкая вода может существовать в двух разных состояниях. Эта противоречивая гипотеза была одним из самых важных вопросов в химии и физике воды, который не удавалось долго решить», — заявил профессор CUNY Николас Джовамбаттиста, слова которого приводит пресс-служба вуза.

В течение долгого времени ученые считали, что вода может находиться в жидком виде лишь в одном состоянии. На рубеже веков исследователи обнаружили, что пространственная структура и некоторые физические свойства молекул воды зависят от направления спинов атомов водорода. Тогда были раскрыты различия в химических свойствах двух подобных пространственных форм молекул воды — их назвали «паравода» и «ортовода».

Трудности с отделением этих форм друг от друга породили массу споров в научной среде. При проведении экспериментов с водой, охлажденной до сверхнизких температур, возникло предположение, что вода может существовать в жидком виде в двух разных формах (или фазовых состояниях), которые обладают сравнительно низкой и высокой плотностью. Исследователи дискутировали, существуют ли эти состояния в реальности или только в теории.

В теории вода может оставаться жидкостью при температурах до —70°С, однако добиться этого крайне сложно. Как правило, воду можно удерживать в жидком состоянии при температурах, не превышающих —48°С, но из нее нужно удалить все примеси, а охлаждать ее необходимо очень быстро.

Сейчас физики решили эту проблему, не охлаждая воду, а особым образом нагревая аморфный лед высокой плотности при помощи инфракрасного лазера на очень мощных и при этом сверхкоротких импульсах теплового излучения. Под этим воздействием плотность образца воды не менялась при таянии, что впервые позволило ученым увидеть, как формируется вода высокой плотности, а также проследить за ее превращением (переходом в другое агрегатное состояние) в воду легкой плотности.

Наблюдения подтвердили теорию, что оба типа жидкостей обладают разными свойствами, а также установили разницу в плотности двух форм — масса «тяжелой» воды была примерно на 20% больше, чем ее легкой разновидности. Как показали расчеты профессора Джовамбаттисты и его коллег, обе формы переохлажденной воды не будут смешиваться друг с другом в покое.

Источник

Переохлажденная жидкость

Переохлажденная жидкость — жидкий лед

Общие сведения

Переохлажденная жидкость (метастабильное состояние) – это такая жидкость, температура которой ниже температура кристаллизации при нормальном давлении. Причиной существования переохлажденных жидкостей при атмосферном давлении является отсутствие так называемых центров кристаллизации.

Центром кристаллизации в веществе называется зародыш твердого состояния в веществе, из которого возникает кристаллит – минимальный объем кристалла.

Переохлажденную жидкость можно получить двумя способами:

1. Очень быстрое охлаждение – замедляет процессы диффузии веществе, которые являются необходимыми для перехода в твердое состояние. Говоря простым языком – охлаждения происходит настолько быстро, что молекулы не успевают выстроиться в кристаллическую решетку.
2. Устранение центров кристаллизации. Производится посредством очистки жидкости от различных твердых примесей. Дело в том, что примеси значительно снижают работу, требуемую для образования кристаллического зародыша и потому приводят к быстрой кристаллизации всей массы вещества.

Эксперимент в домашних условиях

Суть простейшего эксперимента по переохлаждению воды состоит в том, чтобы использовать очищенную воду для дальнейшего охлаждения, хотя бы в морозильной камере холодильника. Так вода способна находиться в жидком состоянии вплоть до температуры -40°C. Далее, емкость с охлажденной водой достаточно встряхнуть, чтобы вода мгновенно замерзла. Еще более интересное зрелище можно наблюдать, если вылить данную воду в другую емкость. При соприкосновении переохлажденной жидкости с другой емкость – вода мгновенно будет замерзать.

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Источник

Переохлажденная жидкость

Переохлажденная жидкость — жидкий лед

Что это -переохлажденная жидкость ?

Переохлажденная жидкость (метастабильное состояние) – это такая жидкость, температура которой ниже температура кристаллизации при нормальном давлении. Причиной существования переохлажденных жидкостей при атмосферном давлении является отсутствие так называемых центров кристаллизации.

Центром кристаллизации в веществе называется зародыш твердого состояния в веществе, из которого возникает кристаллит – минимальный объем кристалла.

Как получить переохлажденную жидкость

Переохлажденную жидкость можно получить двумя способами:

1. Очень быстрое охлаждение – замедляет процессы диффузии веществе, которые являются необходимыми для перехода в твердое состояние. Говоря простым языком – охлаждения происходит настолько быстро, что молекулы не успевают выстроиться в кристаллическую решетку.
2. Устранение центров кристаллизации. Производится посредством очистки жидкости от различных твердых примесей. Дело в том, что примеси значительно снижают работу, требуемую для образования кристаллического зародыша и потому приводят к быстрой кристаллизации всей массы вещества.

Эксперимент с переохлажденной жидкостью

Суть простейшего эксперимента по переохлаждению воды состоит в том, чтобы использовать очищенную воду для дальнейшего охлаждения, хотя бы в морозильной камере холодильника. Так вода способна находиться в жидком состоянии вплоть до температуры -40°C. Далее, емкость с охлажденной водой достаточно встряхнуть, чтобы вода мгновенно замерзла. Еще более интересное зрелище можно наблюдать, если вылить данную воду в другую емкость. При соприкосновении переохлажденной жидкости с другой емкость – вода мгновенно будет замерзать.

Источник

Как почувствовать себя волшебником — мгновенная заморозка воды

Кто из нас в детстве не увлекался фокусами? Детство проходит, но вера в чудеса остается. Нехитрые приготовления, и вот вы уже творите настоящее волшебство. Немного научных знаний, ловкость рук и, главное, никакого мошенничества. Предлагаем вам поучаствовать в эксперименте, ход которого очень прост.

Процесс, который запечатлен на видео, называется мгновенной заморозкой воды. Для эксперимента вам понадобится очищенная вода. Конечно, дистиллированную воду достать проблематично, но для нашего случая вполне подойдет очищенная питьевая вода, которая продается в магазине. Пол-литровую бутылку необходимо поместить в морозильную камеру, температура в которой около -15 – 18 градусов. Когда спустя полтора-два часа вы достанете бутылку, вода в ней по-прежнему будет находиться в жидком состоянии, но ее температура будет значительно ниже нуля. Почему же она не замерзает? Все дело в том, что она не содержит в себе примесей, необходимых для кристаллизации льда и может находиться при температуре до минус 40 градусов в жидком состоянии. То есть она уже остыла и готова замерзнуть, но у нее нет для этого подходящих центров кристаллизации, вокруг которых происходит образование льда.

А вот с обычной пресной питьевой водой, содержащей, как правило, растворенные соли, такой трюк не получится. Она начнет замерзать уже в морозильной камере.

Но что же происходит, когда мы достаем бутылку из холода? Как показано на видео, экспериментатор встряхивает бутылку или прикасается к воде кусочком льда. От механического воздействия или соприкосновения с кристаллами льда переохлажденная вода начинает прямо на глазах превращаться в лед. Вода обретает тот самый недостающий центр кристаллизации и, поскольку ее температура значительно ниже нуля градусов, запускается цепная реакция — кристаллики льда пристраиваются друг к другу и постепенно заполняют собой весь объем бутылки.

Обязательно попробуйте сделать такое со своими друзьями или удивите детей! Это очень эффектный эксперимент, а главное, легко выполнимый в домашних условиях.

Источник

Эксперимент с покадровой анимацией показывает двойственную природу переохлажденной воды

Жидкая вода при температурах значительно ниже нуля имеет два разных варианта расположения молекул, — пишет sciencenews.org со ссылкой на Science.

Молекулы жидкой воды при температурах значительно ниже точки замерзания располагаются двумя способами: либо с высокой плотностью, либо с низкой. Ученые провели эксперимент, предоставляющий новые доказательства этой теории.

Обычно вода замерзает ниже 0° по Цельсию из-за примесей, таких как пыль в воде, на которой могут образовываться кристаллы льда. Но чистая вода, в которой отсутствуют пусковые механизмы кристаллизации, может оставаться жидкой при гораздо более низких температурах, и это явление называется переохлаждением.

В 1990-х годах группа физиков предположила, что при высоких давлениях и очень низких температурах переохлажденная вода распадается на две отдельные жидкости с разной плотностью. При атмосферном давлении, при котором проводился новый эксперимент, переохлажденная вода должна была сохранять некоторые следы такого поведения, что приводило бы к переходному расположению молекул в формациях высокой и низкой плотности.

Хотя эксперименты и намекали на этот эффект, ученые не смогли полностью определить его. «Есть температурный регион, в котором [переохлажденная вода] экспериментально очень трудна для изучения», — говорит Лони Крингл из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в Ричленде (штат Вашингтон).

При температуре от –113°C до –38°C жидкость кристаллизуется очень быстро, даже если она полностью чистая. Это затрудняет определение ее свойств, поскольку измерения должны проводиться за доли секунды до того, как вода замерзнет.

Теперь Крингл и его коллеги провели такой эксперимент: они нагрели тонкую пленку воды с помощью лазера, а затем быстро охладили жидкость. Попадание на пленку инфракрасным светом показало, как молекулы воды двигаются и образуют структуры. Затем команда повторила этот процесс, чтобы сделать снимки того, как эта структура развивалась с течением времени при нагревании и охлаждении пленки. Это позволило ученым измерить свойства жидкости при температурах, при которых она могла бы быстро кристаллизоваться, если бы находилась там в течение более длительных периодов времени.

Исследователи пришли к выводу, что поведение воды при нагревании и охлаждении можно объяснить сосуществованием двух различных молекулярных структур, как предсказывалось ранее. Однако команда напрямую не измерила плотность этих структур, поэтому требуется дополнительная работа, чтобы подтвердить правильность теории.

«Комбинация методов совершенно новая и оригинальная, — говорит инженер-химик Пабло Дебенедетти из Принстонского университета, который не принимал участия в исследовании.

Лучшее понимание странных свойств переохлажденной воды может помочь ученым понять причуды воды. Например, в отличие от большинства веществ, вода при замерзании расширяется, что делает ее менее плотной, чем ее жидкая форма. Вот почему лед плавает в вашей чашке и стоит на берегу озера, оставляя под собой слой жидкости, который может укрыть водную флору и фауну зимой.

«Вода — очень странная жидкость, — говорит физик Грег Киммел, соавтор исследования, также работающего в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории. — Но все с ней знакомы, поэтому мы даже не осознаем, насколько это странно».

Источник