Одно из самых распространенных веществ на Земле: вода. Она, как и воздух, необходима нам, но мы ее порой совсем не замечаем. Она просто есть. Но, оказывается, обыкновенная вода может менять свой объем и весить то больше, то меньше. При , ее нагревании и охлаждении происходят поистине удивительные вещи, о которых мы и узнаем сегодня.
Мюриэль Мэнделл в своей занимательной книге «Phycisc Experiments for Children» излагает интереснейшие мысли о свойствах воды, на основе которых не только юные физики могут узнать немало нового, но и взрослые освежат свои знания, которые давненько не приходилось применять, поэтому они оказались слегка забытыми.
Сегодня речь пойдет об объеме и весе воды. Оказывается, один и тот же объем воды не всегда весит одинаково. И если налить воду в стакан и она не прольется через край — это еще не значит, что она поместится в нем при любых обстоятельствах.
1. При нагревании вода увеличивается в объеме
Поставьте наполненную водой банку в кастрюлю, наполненную сантиметров на пять кипящей водой, и на слабом огне поддерживайте кипение. Вода из банки начнет переливаться через край. Это происходит потому, что при нагревании вода, подобно другим жидкостям, начинает занимать больше пространства. отталкиваются друг от друга с большей интенсивностью и это ведет к увеличению объема воды.
2. При охлаждении вода сжимается
Дайте воде в банке остыть при комнатной температуре, или налейте новую воду, и поставьте ее в холодильник. Через некоторое время вы обнаружите, что полная прежде банка уже не полна. При охлаждении до температуры 3,89 градусов по Цельсию вода уменьшает свой объем по мере снижения температуры. Причиной тому стало снижение скорости движения молекул и их сближение друг с другом под воздействием охлаждения.
Казалось бы, все очень просто: чем холоднее вода, тем меньший объем она занимает, но…
3. …объем воды вновь возрастает при замерзании
Наполните банку водой до краев и накройте куском картона. Поставьте ее в морозилку и дождитесь замерзания. Вы обнаружите, что картонную «крышку» вытолкнуло. На температурном интервале между 3,89 и 0 градусов по Цельсию, то есть на подходе к точке своего замерзания, вода вновь начинает расширяться. Она является одним из немногих известных веществ, обладающих подобным свойством.
Если использовать плотную крышку, то лед просто разнесет банку. Приходилось ли вам слышать о том, что даже водопроводные трубы может разорвать льдом?
4. Лед легче воды
Поместите пару кубиков льда в стакан с водой. Лед будет плавать на поверхности. Вода при замерзании увеличивается в объеме. И, вследствие этого, лед легче воды: его объем составляет около 91% соответствующего объема воды.
Это свойство воды существует в природе не зря. У него есть вполне определенное предназначение. Говорят, что зимой реки замерзают. Но на самом деле это не совсем верно. Обычно замерзает лишь небольшой верхний слой. Это ледяной покров не тонет, поскольку он легче жидкой воды. Он замедляет замерзание воды на глубине реки и служит своеобразным одеялом, оберегая рыб и другую речную да озерную живность от лютых зимних морозов. Изучая физику, начинаешь понимать, что очень многое в природе устроено целесообразно.
5. Водопроводная вода содержит минералы
Влейте в небольшую стеклянную миску 5 столовых ложек обычной водопроводной воды. Когда вода испарится, на миске останется белая кайма. Эта кайма сформирована минералами, которые были растворены в воде, когда она проходила слои грунта.
Посмотрите внутрь своего чайника и вы увидите там минеральный налет. Такой же налет образуется и на отверстии для стока воды в ванне.
Попробуйте испарить дождевую воду, чтобы самостоятельно проверить, содержит ли она минералы.
Если совместить воду с другими жидкостями, то можно обнаружить, что с некоторыми вода не смешивается. Благодаря таким свойствам веществ можно сделать красивейшую .
Почему лёд плавает
Всем известно, что лед не тонет, а плавает на поверхности воды. Этот факт весьма необычен, так как лед – твердое тело, а твердые тела, как правило, всегда тонут в жидкости, которая образуется при их плавлении.
Все вещества в природе при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Вода следует этому правилу, но лишь до определённой температуры. Она сжимается, охлаждаясь до +4°С. При такой температуре вода обладает наибольшей плотностью и весом. Охлаждаясь дальше и превращаясь в лед при 0°С, она... расширяется. При этом лед увеличивается в объеме, а плотность и вес уменьшаются. Лед становится легче воды, из которой образовался. Вот почему лед не тает в воде, а плавает на ее поверхности.
Благодаря этой особенности льда вода в водоёмах замерзает только на поверхности. Если бы лёд тонул в воде, он опускался бы на дно, вода на поверхности снова превращалась бы в лёд и снова опускалась... за считанные дни водоём замёрз бы от поверхности до дна, а вместе с водой замёрзли бы все животные и растения... То, что лёд легче воды "придумано" природой для того, чтоб жизнь в воде не перестала существовать, а вместе с ней и жизнь на всей Земле.
Когда вода замерзает и превращается в лёд, она расширяется и увеличивается в объёме не на сколько угодно, а примерно на одну девятую. Это значит, что если 9 литров воды замёрзнут, то получится 10 литров льда.
Когда лед плывёт, на поверхности мы видим лишь одну девятую часть. Например, если льдина имеет высоту 2 см над водой, то под водой её слой в 9 раз толще, то-есть 2 умножить на 9 =18 см, а толщина всей льдины 20 см.
В морях и океанах встречаются иногда огромные ледяные горы - айсберги. Это сползшие с полярных гор и унесённые течением и ветром в открытое море ледники. Высота их может достигать 200 метров, а объём - нескольких миллионов кубических метров. Девять десятых всей массы айсберга спрятаны под водой. Поэтому встреча с ним весьма опасна. Если судно во-время не заметит движущегося ледяного гиганта, оно может при столкновении получить серьёзные повреждения или даже погибнуть.
Маленькие дети очень часто задают интересные вопросы взрослым, а те не всегда могут ответить на них сразу. Чтобы не казаться ребенку глупым, рекомендуем ознакомиться с полноценным и развернутым, обоснованным ответом касательно плавучести льда. Ведь плавает, а не тонет. Почему же так происходит?
Как объяснить ребенку сложные физические процессы?
Первое, что приходит на ум, так что плотность. Да, на самом деле, лёд плавает потому, что он менее плотный, чем . Но как объяснить ребенку, что такое плотность? Рассказывать ему школьную программу никто не обязан, а вот свести все к тому, что , вполне реально. Ведь по факту один и то же объем воды и льда обладает разным весом. Если изучать проблему более подробно, то можно озвучить еще несколько причин, кроме плотности.
не только потому, что его уменьшенная плотность не дает ему опускаться ниже. Причина еще и в том, что в толще льда заморожены небольшие пузырьки воздуха. Они также уменьшают плотность, а потому в общем получается, что вес пластины из льда становится еще меньше. Когда лед расширяется, он не захватывает больше воздуха, но зато все те пузырьки, которые уже оказались внутри этого пласта, оказываются там до тех пор, пока лед не начнет таять или сублимироваться.
Проводим опыт над силой расширения воды
Но как доказать, что лёд на самом деле расширяется? Ведь вода тоже может расширяться, как же доказать это в искусственных условиях? Можно провести интересный и очень простой опыт. Для этого понадобится пластиковый или картонный стаканчик и вода. Ее количество необязательно должно быть большим, заполнять стаканчик до краев не потребуется. Также в идеале нужна температура около -8 градусов или ниже. Если температура будет слишком высокой, опыт продлится неоправданно долго.
Итак, вода залита внутрь, надо ждать, когда образуется лёд. Поскольку мы выбрали оптимальную температуру, при которой небольшой объем жидкости обратится в лёд в течение двух-трех часов, можно спокойно идти домой и ждать. Ждать нужно до тех пор, пока вся вода не обратится в лед. Спустя некоторое время смотрим на результат. Деформированный или разорванный льдом стаканчик гарантирован. При более низкой температуре последствия выглядят более эффектно, да и сам эксперимент занимает меньше времени.
Негативные последствия
Получается простой опыт подтверждает, что в ледяные глыбы и правда расширяются при уменьшении температуры, а объем воды легко увеличивается при замерзании. Как правило, эта особенность несет немало проблем забывчивым людям: бутылка шампанского, оставленная на балконе под Новый год на большой срок, разрывается из-за воздействия льда. Поскольку сила расширения очень большая, повлиять на нее никак нельзя. Ну а что касается плавучести ледяных глыб, то здесь можно ничего не доказывать. Самые любопытные могут легко провести подобный опыт весной или осенью самостоятельно, пытаясь утопить в большой луже кусочки льда.
2015-03-27
Теплая вода, охлаждаясь становиться более плотной и, следовательно, опускается на дно. То есть лед должно образовываться на дне озера в первую очередь. Но этот процесс происходит только до отметки 4 градуса по Цельсию, далее вода начинает опять расширяться и становится менее плотной. Таким образом, в точке близкой к замораживанию, холодная вода всплывает на поверхность, а теплая вода опускается на дно. В конце концов, вода в верхней части озера в зимних условиях, замерзнет и превращается в слой льда. Кроме того, когда вода замерзает и превращается в лед, лед становится значительно менее плотным, чем вода и продолжает плавать на поверхности озера.
Лед имеет меньшую плотность, чем вода, из-за того, что он имеет гексагональную кристаллическую структуру. Каждая молекула воды состоит из двух атомов водорода, связанных с атомом кислорода. При формировании льда, атомы водорода одной молекулы образуют слабые водородные связи с атомами кислорода двух других молекул воды. Выстраиваемые молекулы воды в этой модели занимают больше места, чем хаотически перемешанные молекулы в жидкой воде. Следовательно, лед является менее плотным. По той же причине вода, ниже 4 градусов по Цельсию становится все менее плотной.
Так что теперь мы понимаем, почему лед плавает на поверхности воды, но, как это работает на водоемах? Представьте себе, что это начало зимы, и температура только недавно стала ниже точки замерзания. Воздух меняет температуру быстрее, чем вода - вот почему вода в водоеме, кажется, гораздо теплее, в вечернее время. Воздух охлаждается ночью, но вода в водоеме остается почти такой же горячий. Таким образом, хотя воздух холодный, вода не замерзает. Вода в верхней части водоеме находится в непосредственном контакте с холодным воздухом и все время охлаждается. Образующейся на поверхности лед также действует в качестве барьера, или изолятора, между холодным воздухом и теплой воды под ним.
Последний факт позволяет воде в озерах и прудах не замерзать до самого дна, что позволяет растениям и рыбам пережить зиму в условиях севера.
Все знают, что лёд - это замёрзшая вода, правильнее сказать, пребывающая в твёрдом агрегатном состоянии. Но почему лёд не тонет в воде, а плавает на её поверхности?
Вода - необычное вещество, обладающее редкими, даже аномальными свойствами. В природе большинство веществ расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Например, ртуть в градуснике поднимается по узкой трубке и показывает повышение температуры. Поскольку ртуть замерзает при -39 ºС, она не годится для термометров, используемых в суровых температурных условиях.
Вода также расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Однако в диапазоне охлаждения от примерно +4 ºС до 0 ºС она расширяется. Вот почему зимой могут лопнуть водопроводные трубы, если вода в них замёрзла и образовались большие массы льда. Давления льда на стенки трубы бывает достаточно для их разрыва.
Расширение воды
Так как вода расширяется при охлаждении, плотность льда (т. е. её твёрдой формы) меньше, чем у воды в жидком состоянии. Другими словами, данный объём льда весит меньше, чем тот же объём воды. Сказанное отражает формула m = ρV, где V - объём тела, m - масса тела, ρ - плотность вещества. Между плотностью и объёмом существует обратно пропорциональная зависимость (V = m/ρ), т. е. при увеличении объёма (при охлаждении воды) одна и та же масса будет иметь меньшую плотность. Данное свойство воды приводит к формированию льда на поверхности водоёмов - прудов и озёр.
Предположим, что плотность воды равна 1. Тогда лёд будет иметь плотность равную 0,91. Благодаря этой цифре мы можем узнать толщину льдины, которая плывет по воде. Например, если льдина имеет высоту над водой 2 см, то можно сделать вывод, что её подводный слой в 9 раз толще (т. е. 18 см), а толщина всей льдины - 20 см.
В районе Северного и Южного полюсов Земли вода замерзает и образует айсберги. Некоторые из этих плавающих ледяных гор имеют огромные размеры. Самым крупным из известных человеку считается айсберг с площадью поверхности 31 000 кв. километров, который был обнаружен в 1956 году в Тихом океане.
Каким образом вода в твёрдом состоянии увеличивает свой объём? За счёт изменения своей структуры. Ученые доказали, что лёд имеет ажурное строение с полостями и пустотами, которые при плавлении заполняются молекулами воды.
Опыт показывает, что температура замерзания воды с увеличением давления понижается примерно на один градус на каждые 130 атмосфер.
Известно, что в океанах на больших глубинах температура воды ниже 0 ºС, и тем не менее она не замерзает. Объясняется это давлением, которое создают верхние слои воды. Слой воды толщиной в один километр давит с силой около 100 атмосфер.
Сравнение плотности воды и льда
Может ли плотность воды быть меньше плотности льда и означает ли это, что он утонет в ней? Ответ на данный вопрос утвердительный, что легко доказать следующим экспериментом.
Возьмём из морозильной камеры, где температура равна -5 ºС, кусок льда величиной в треть стакана или немного больше. Опустим его в ведро с водой температурой +20 ºС. Что мы наблюдаем? Лёд быстро погружается и тонет, постепенно начиная таять. Это происходит потому, что вода температурой +20 ºС имеет меньшую плотность по сравнению со льдом температурой -5 ºС.
Существуют модификации льда (при высоких температурах и давлениях), которые ввиду большей плотности будут в воде тонуть. Речь идёт о так называемом «тяжёлом» льде - дейтериевом и тритиевом (насыщенном тяжёлым и сверхтяжёлым водородом). Несмотря на наличие таких же пустот, как в протиевом льде, он утонет в воде. В противовес «тяжёлому» льду, протиевый лишён тяжёлых изотопов водорода и содержит 16 миллиграммов кальция на литр жидкости. Процесс его приготовления предполагает очищение от вредных примесей на 80%, благодаря чему протиевая вода считается наиболее оптимальной для жизнедеятельности человека.
Значение в природе
Тот факт, что лёд плавает на поверхности водоёмов, играет важную роль в природе. Если бы вода не обладала данным свойством и лёд погружался на дно, это привело бы к промерзанию всего водоёма и, как следствие, гибели населяющих его живых организмов.
Когда наступает похолодание, сначала при температуре выше +4 ºС более холодная вода с поверхности водоёма опускается вниз, а тёплая (более лёгкая), поднимается вверх. Этот процесс называется вертикальная циркуляция (перемешивание) воды. Когда же во всём водоёме устанавливается +4 ºС, этот процесс приостанавливается, так как с поверхности вода уже при +3 ºС становится легче той, что находится ниже. Происходит расширение воды (её объём увеличивается приблизительно на 10 %) и уменьшение её плотности. Как следствие того, что более холодный слой оказывается сверху, на поверхности происходит замерзание воды и появление ледяного покрова. Вследствие своей кристаллической структуры лёд обладает плохой теплопроводностью, т. е. сдерживает тепло. Слой льда выступает своеобразным теплоизолятором. И вода, находящаяся подо льдом, сохраняет своё тепло. Благодаря теплоизоляционным свойствам льда, передача «холода» в нижние слои воды резко уменьшается. Поэтому у дна водоёма почти всегда остаётся хотя бы тонкий слой воды, что чрезвычайно важно для жизнедеятельности его обитателей.
Таким образом, +4 ºС - температура максимальной плотности воды - это и есть температура выживания в водоёме живых организмов.
Применение в быту
Выше упоминалось о возможности разрыва водопроводных труб при замерзании воды. Во избежание повреждения водопровода при низких температурах нельзя допускать перерывов в подаче тёплой воды, которая идёт по трубам отопления. Аналогичной опасности подвергается автотранспортное средство, если в морозы оставлять воду в радиаторе.
А теперь поговорим о приятной стороне уникальных свойств воды. Катание на коньках - большое удовольствие для детей и взрослых. А задумывались ли вы, почему лёд такой скользкий? Например, стекло тоже скользкое, к тому же глаже и привлекательнее льда. Но по нему коньки не скользят. Лишь лёд обладает таким специфическим восхитительным свойством.
Дело в том, что под тяжестью нашего веса происходит давление на тонкое лезвие конька, что, в свою очередь, вызывает давление на лёд и его таяние. При этом образуется тонкая плёнка воды, о которую и скользит стальное лезвие конька.
Различие в замерзании воска и воды
Как показывают опыты, поверхность ледяного кубика образует некую выпуклость. Это происходит из-за того, что застывание в его середине происходит в последнюю очередь. А расширяясь во время перехода в твёрдое состояние, эта выпуклость ещё больше поднимается. Противопоставить этому можно застывание воска, который, наоборот, образует углубление. Это объясняется тем, что воск после перехода в твёрдое состояние сжимается. Жидкости, которые равномерно сжимаются при промерзании, образуют несколько вогнутую поверхность.
Для замерзания воды недостаточно охладить её до точки замерзания в 0 ºС, необходимо эту температуру поддерживать за счет постоянного охлаждения.
Вода с примесью соли
Добавление поваренной соли к воде снижает точку её замерзания. Именно по этой причине зимой дороги посыпают солью. Солёная вода замерзает при температуре -8 °С и ниже, поэтому пока температура не упадёт как минимум до этой точки, замерзания не происходит.
Льдосоляная смесь порой применяется в качестве «охлаждающей смеси» для низкотемпературных опытов. Когда лёд тает, он поглощает скрытое тепло, требуемое для превращения, из окружающей его среды, тем самым охлаждая её. При этом поглощается столько тепла, что температура может упасть ниже -15 °С.
Универсальный растворитель
Чистая вода (молекулярная формула H 2 0) не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Молекула воды состоит из водорода и кислорода. При попадании в воду других веществ (растворимых и нерастворимых в воде) происходит её загрязнение, поэтому в природе нет абсолютно чистой воды. Все вещества, которые встречаются в природе, в разной степени могут растворяться в воде. Это определяется их уникальными свойствами - растворимостью в воде. Поэтому вода считается «универсальным растворителем».
Гарант стабильной температуры воздуха
Вода медленно нагревается благодаря высокой теплоёмкости, но, тем не менее, процесс остывания происходит намного медленнее. Это даёт возможность в летнее время года накапливать тепло океанам и морям. Высвобождение тепла происходит в зимний период, благодаря чему нет резкого перепада температуры воздуха на территории нашей планеты на протяжении всего года. Океаны и моря – это оригинальный и природный аккумулятор тепла на территории Земли.
Поверхностное натяжение
Вывод
Тот факт, что лёд не тонет, а плавает на поверхности, объясняется его меньшей плотностью по сравнению с водой (удельная плотность воды 1000 кг/м³, льда - около 917 кг/м³). Данный тезис справедлив не только в отношении льда, но и любого другого физического тела. Например, плотность бумажного кораблика или осеннего листка намного ниже плотности воды, что и обеспечивает их плавучесть.
Тем не менее, свойство воды иметь в твёрдом состоянии меньшую плотность является большой редкостью в природе, исключением из общего правила. Аналогичными свойствами обладают лишь металл и чугун (сплав металла железа и неметалла углерода).
Загрузка...
