При какой температуре вода становится твердой
Вода – основа жизни и в природе она может находиться в трех основных состояниях: твёрдом, жидком и газообразном. Однако, искусственно можно создать условия, при которых вода переходит в состояние плазмы.
В этой статье мы разберем, почему вода может быть в жидком, твердом и газообразном состояниях, и при каких условиях меняются ее агрегатные состояния.
Жидкое состояние воды в природных условиях планеты Земля преобладает.
Твердое состояние воды
Вода в твердом состоянии – это лёд и снег. Некоторые не понимают, к какому агрегатному состоянию воды относится иней. Конечно, к твёрдому! Это мелкая ледяная крошка, замерзшие капли росы.
Твердая – это замороженная вода. Когда она замерзает, ее молекулы отодвигаются подальше друг от друга, делая лед менее плотным, чем жидкость, т.е. вода в твердом состоянии занимает больший объем, чем в жидком.
Большинство веществ при снижении температуры сжимается, а вода – расширяется, и в этом ее уникальная особенность.
Замерзает – это значит, что при 0 градусов Цельсия вода кристаллизуется и переходит из жидкого состояния в твердое. Наличие в воде солей снижает температуру замерзания.
На школьных олимпиадах встречается такой интересный вопрос: какой металл, находясь в расплавленном состоянии, может заморозить воду? Ответ – ртуть, которая начинает плавиться при температуре -39 градусов Цельсия. Понятно, что жидкая ртуть при температуре от -38 до 0 способна заморозить воду, отбирая у нее тепло.
Несмотря на то, что самое распространенное на нашей планете – жидкое состояние воды, значительная ее часть (2/3 всех пресноводных запасов) находится в замороженном виде. Площадь ледников – около 11% всей суши Земли.
Если жидкое состояние пресной воды переходит в твердое при 0 градусов Цельсия, то морская вода средней солености замерзает примерно при -1,8 градусах Цельсия.
Жидкое состояние воды
Вода в жидком состоянии встречается на нашей планете не только в реках и океанах. Облака состоят из крошечных капелек воды и кристалликов льда, и дождь – это тоже жидкая вода.
Также вода в жидком состоянии просачивается через почву и образует подземные водные горизонты, из которых черпается основная масса питьевой воды.
Вода в жидком состоянии отличается высокой прилипчивостью к различным твердым материям. Сама по себе она не является «влажной», но легко делает влажными большинство твердых материалов.
Жидкая вода легко переходит в твердое и газообразное состояние. Главным образом, это зависит от температуры. Но свою роль играет и давление.
Физический переход воды из жидкого состояния в газообразное называется испарением, потому что газообразное состояние воды называется паром.
Как жидкое состояние воды превращается в газообразное? Когда мы кипятим воду, она превращается из жидкости в газ, или водяной пар. Когда его часть остывает, мы видим небольшое облако, которое и называют паром. Хотя, если мы его видим, то это уже жидкое состояние воды, т.е. скопление ее микроскопических капелек.
Пар – это вода в газообразном состоянии, которое образуется, когда вода кипит или испаряется. Настоящий пар невидим; однако слово «пар» часто ошибочно относят к влажному пару, видимому туману, как аэрозолю водяных капель, образующихся при конденсации водяного пара.
И тут всплывает такое понятие, как «точка росы». Это температура воздуха, которая меняется в зависимости от давления и влажности, ниже которой водный пар начинает конденсироваться в водяные капли и образуется роса. Т.е. агрегатное состояние воды из газообразного состояния меняется на жидкое.
Закипает жидкая пресная вода при 100°C (градусах Цельсия) или 212°F (градусах Фарингейта), в условиях нормального атмосферного давления. Чем ниже давление (например, в горах), тем выше температура кипения.
Состояние газа
Итак, вода в газообразном состоянии – это пар. Утверждение, что большая часть воды в гидросфере находится в газообразном состоянии – не верно.
Не все хорошо себе представляют, в каком состоянии вода способна испаряться. Оказывается, вода в твердом состоянии испаряется так же, как и жидкая, только медленнее! Скорость испарения зависит от температуры. Т.е. в газообразное состояние вода может переходить прямо из твердого, минуя жидкое.
Испаренная с поверхности Земли вода в газообразном состоянии образует облака и тучи
Четвертое агрегатное состояние: плазма
Все знают, в каких трех состояниях вода находится в окружающей природе. Однако, ученые знают и четвертое состояние воды – плазму, которую называют гидроплазмой.
Водяной пар можно нагреть до такой температуры (2 200 -13 900°С, или 4 000- 25 000 ° F), что молекулы воды распадаются и получается просто смесь атомов водорода и кислорода в виде плазмы. Там динамически может присутствовать некоторое количество молекул воды, но всё равно эта смесь ионов и молекул будет водородно-кислородной плазмой.
Вообще плазма – это такое состояние вещества, которое настолько насыщено энергией, что от атомов отлетают электроны. Не говоря уже о разрушении молекулярных структур и кристаллических решеток.
Плазменное состояние воды в природе не встречается, однако оно всё больше интересует ученых в плане возобновляемых источников энергии. Очень заманчивая идея – получение из воды топлива в виде горючего водорода, который реагирует с кислородом и опять образует воду…
Как меняются агрегатные состояния
В принципе, агрегатное (физическое) состояние воды, как и любого другого вещества, зависит от температуры и давления. В природных условиях Земли возможны только три состояния веществ: твёрдое, жидкое и газообразное. Это и есть ответ на вопрос «в каких трех состояниях вода находится в природе».
Также теперь Вы знаете ответы на многие другие интересные вопросы типа «какой металл, находясь в расплавленном, т.е. жидком, состоянии, может заморозить воду, т.е. превратить ее в лёд» и т.п.
И Вы имеете понятие, в каком агрегатном состоянии может находиться вода в природе и в искусственных условиях.
Источник
Несмотря на простую химическую формулу, вода – вещество с очень необычными свойствами. Она таит в себе множество загадок, которые порой не под силу разгадать даже ученым.
Перед вами пять наиболее интересных фактов о воде.
1. Горячая вода замерзает быстрее холодной
Возьмем две емкости с водой: в одну нальем горячую, а в другую – холодную воду, и поместим их в морозильную камеру. Горячая вода замерзнет быстрее холодной, хотя по логике вещей, первой должна была превратиться в лед холодная вода: ведь горячей воде надо сначала остыть до температуры холодной, а потом уже превращаться в лед, в то время как холодной воде остывать не надо.
Почему же так происходит?
В 1963 году один танзанский студент по имени Эрасто Б. Мпемба (Erasto B. Mpemba) замораживая приготовленную смесь для мороженого, заметил, что горячая смесь застывает в морозильной камере быстрее, чем холодная. Когда юноша поделился своим открытием с учителем физики, тот лишь посмеялся над ним.
К счастью, ученик оказался настойчивым и убедил учителя провести эксперимент, который и подтвердил его открытие: в определенных условиях горячая вода действительно замерзает быстрее холодной.
Теперь этот феномен горячей воды, замерзающей быстрее холодной, носит название «эффект Мпемба». Правда, за долго до него это уникальное свойство воды было отмечено Аристотелем, Фрэнсисом Бэконом и Рене Декартом.
Ученые так до конца и не понимают природу этого явления, объясняя его либо разницей в переохлаждении, испарении, образовании льда, конвекции, либо воздействием разжиженных газов на горячую и холодную воду.
2. Сверхохлаждение и «мгновенное» замерзание
Все знают, что вода всегда превращается в лед при охлаждении до 0 °C … за исключением некоторых случаев! Таким случаем, например, является сверхохлаждение, которое представляет собой свойство очень чистой воды оставаться жидкой, даже будучи охлажденной до температуры ниже точки замерзания.
Это явление становится возможным благодаря тому, что окружающая среда не содержит центров или ядер кристаллизации, которые могли бы спровоцировать образование кристаллов льда. И поэтому вода остается в жидкой форме, даже будучи охлажденной до температуры ниже нуля градусов по Цельсию.
Процесс кристаллизации может быть спровоцирован, например, пузырьками газа, примесями (загрязнениями), неровной поверхностью емкости. Без них вода будет оставаться в жидком состоянии. Когда процесс кристаллизации запускается, можно наблюдать, как сверхохлажденная вода моментально превращается в лед.
Заметьте, что «сверхнагретая» вода также остается жидкой, даже будучи нагретой до температуры выше точки закипания.
3. «Стеклянная» вода
Не задумываясь, назовите, сколько различных состояний есть у воды? Если вы ответили три: твердое, жидкое, газообразное, то вы ошиблись. Ученые выделяют как минимум 5 различных состояний воды в жидком виде и 14 состояний в замерзшем виде.
Помните разговор про сверхохлажденную воду? Так вот, что бы вы ни делали, при температуре -38 °C даже самая чистая сверхохлажденная вода внезапно превратится в лед.
Что же произойдет при дальнейшем понижении температуры?
При -120 °C с водой начинает происходить что-то странное: она становится сверхвязкой или тягучей, как патока, а при температуре ниже -135 °C она превращается в «стеклянную» или «стекловидную» воду – твердое вещество, в котором отсутствует кристаллическая структура.
4. Квантовые свойства воды
На молекулярном уровне вода удивляет ещё больше. В 1995 году проводимый учеными эксперимент по рассеянию нейтронов дал неожиданный результат: физики обнаружили, что нейтроны, направленные на молекулы воды, «видят» на 25% меньше протонов водорода, чем ожидалось.
Оказалось, что на скорости одной аттосекунды (10 -18 секунд) имеет место необычный квантовый эффект, и химическая формула воды вместо H2O, становится H1.5O!
5. Есть ли у воды память?
Альтернативная официальной медицине гомеопатия утверждает, что разбавленный раствор лекарственного препарата может оказывать лечебный эффект на организм, даже если коэффициент разбавления настолько велик, что в растворе уже не осталось ничего, кроме молекул воды.
Сторонники гомеопатии объясняют этот парадокс концепцией под названием «память воды», согласно которой вода на молекулярном уровне обладает «памятью» о веществе, некогда в ней растворенном и сохраняет свойства раствора первоначальной концентрации после того, как в нём не остается ни одной молекулы ингредиента.
Международная группа ученых во главе с профессором Мэдлин Эннис (Madeleine Ennis) из Королевского университета в Белфасте (Queen’s University of Belfast), критиковавшая принципы гомеопатии, в 2002 году провела эксперимент, чтобы раз и навсегда опровергнуть эту концепцию.
Результат оказался обратным. После чего, ученые заявили, что им удалось доказать реальность эффекта «памяти воды». Однако опыты, проведенные под наблюдением независимых экспертов, результатов не принесли. Споры о существовании феномена «памяти воды» продолжаются.
Вода обладает множеством других необычных свойств, о которых мы не рассказали в этой статье. Например, плотность воды меняется в зависимости от температуры (плотность льда меньше плотности воды); вода обладает довольно большой величиной поверхностного натяжения; в жидком состоянии вода представляет собой сложную и динамически меняющуюся сеть из водных кластеров, и именно поведение кластеров влияет на структуру воды и т.д.
Источник
Всем известны границы температур у воды. Это нулевая температура, при которой вода превращается в лед, а также 100 градусов по Цельсию, которые обозначают испарение. О том, что вода может превратиться в пар гораздо медленнее, но и при более низкой температуре, вы наверняка уже узнали, а вот какие могут быть температуры у воды в ее обычном состоянии?
Начнем с того, что воду можно просто посолить. Сделать это нетрудно, достаточно всего лишь одной ложки соли на стакан. Проведите этот опыт у себя дома, вынесите воду на улицу зимой, поставьте ее в холодильник, если снаружи недостаточно холодно. Сделав это, проверьте, при какой температуре вода все еще никак не может замерзнуть. Соленость в 0,35 промилле, стандартная для морей, понижает температуру замерзания воды до -1,9 градуса, тогда как 0,3 промилле дают -1,6 градуса. Можно провести опыт еще несколько раз, добавив больше соли в жидкость, чтобы узнать, какая жидкость не замерзнет при -5.
Вообще, если продолжить разговор о соленой воде, то у нее есть еще множество параметров, которые изменяются в зависимости от уровня солености, тогда как есть и прочие особенности. Конечно, температура воды при повышенном давлении оказывается в больших рамках, нежели при нормальном. Более того, когда температура кипения сдвигается вверх при повышении давления, что означает порой увеличение диапазона, можно ожидать, что и температура замерзания жидкости будет повышаться. Как это можно объяснить? Только тем, что при повышенном давлении кинетическая энергия молекул будет уменьшаться. Но на самом деле происходит совершенно обратное явление.
Уравнение с абсолютной температурой
Согласно уравнению Менделеева-Клапейронаможно доказать, что температура замерзания сдвигается вниз, то есть, при увеличении давления в несколько десятков раз можно получить температуру меньше на 10-15 градусов. То есть, вполне можно объяснить наличие воды на других планетах не в жидком, а в твердом состоянии: если давление будет меньше, чем на Земле, то и замерзать она будет при более высоких температурах. Поэтому некоторые явления очень легко объяснить только при помощи законов и уравнений, а не при помощи наблюдений.
Если же вернуться к соленой воде, то можно легко провести еще один опыт, который покажет, что расширение температурных границ продолжается и при кипении. То есть, соленая вода кипит при более высокой температуре. Давайте же более подробно рассмотрим тот процесс, который происходит в жидкости, когда в ней растворяют больше соли.
После того, как в жидкость опустили ложку с солью, она превращается в соляной раствор. Это уже обыкновенная химия, но мы будем видеть этот процесс с несколько иной точки зрения. Пусть у нас есть два вещества: вода и соль. Теплоемкости и прочие физические параметры, связанные с изменением температуры, различные у разных веществ, поэтому нетрудно понять, что для того, чтобы соль смерзлась или расплавилась при нагревании, требуется другое количество энергии. Когда в воде оказывается соль, то у раствора за некоторой погрешностью оказывается средняя температура замерзания и кипения, чем у соответствующих веществ. Получается это за счет того, что масса соли намного меньше, чем масса воды: одна ложка против одного стакана дает большую разницу.
Соляной раствор воды
Растворенная соль, однако, не просто заполняет пространство между молекулами воды. Она образует сложные химические связи, для разрыва которых тоже требуется энергия. Именно об этом шла речь, когда говорилось о небольшой погрешности. Ионные связи между солью и водой образуются в достаточной степени, поэтому разделить эти вещества не представляется возможным, кроме как при помощи сложных химических реакций или же простого испарения. Таким образом, когда соли в жидкости растворено оптимальное количество, можно говорить о том, что энергии для нагревания или кристаллизации потребуется гораздо больше.
Вообще, у воды есть множество веществ-«друзей», если можно так сказать. Это не только классическийNaCl, который рассыпают на улицах зимой, который можно положить в кастрюлю с супом или в любое другое блюдо. Это множество других солей, различных минералов, которые могут образовать аналогичные соединения в воде. Все они в той или иной степени повышают количество теплоты, необходимое для перехода в другое состояние, относительно жидкого. Поэтому получается, что в жидком состоянии вода может существовать в гораздо большем диапазоне температур.
Теперь точно известно, что в жидком состоянии можно держать воду при помощи химических связей и повышенного давления. Нетрудно догадаться, что все это необходимо для проведения разнообразных опытов с энергией: ведь именно в воде сосредоточено достаточно большое количество запасов энергии.
Источник
Aspid Green
21 марта 2015 · 112,2 K
IT, телеком, телефония, базы данных, интеграционные решения, естествознание…
Прежде всего давайте условимся, что вода у нас чистая, чего в химическом абсолютном смысле никогда не бывает, и давление у нас равно нормальному атмосферному, чего тоже не бывает, потому что даже в одном отдельно взятом стакане давление на поверхности и на дне разное. Но тем не менее мы так условимся. Ок? 🙂
При 0°С вода и тает и замерзает. Чтобы вполне уяснить себе происходящее представьте себе воду не как нечто целостное, а как движущиеся молекулы, которые и притягиваются и одновременно. Медленные перестают улетать от своих соседей и начинают колебаться друг около друга (тогда они являются частичками твёрдого вещества), а быстрые покидают своих соседей (тогда то, что из них составлено не может удержать свою форму и становится жидким).
Например, две молекулы, которые «притулились» друг к другу – это конечно же еще не лёд, и сто, и тысячу – тоже еще не лёд. Но где-то количество переходит в качество. Больше того, этот процесс находится в постоянном движении. Какие-то молекулы приплывают отдохнуть к этой куче, а какие-то опять уходят погулять. Только те, кто в середине более-менее стабильны – у них нет беспокойных соседей.
Вот так можно представить себе то, что происходит при температуре около 0°C. Но температура и давление неравномерны. (Теоретически, можно было бы говорить о «температуре» каждой отдельной молекулы, но оставим это нанотехнологиям). И можно подобрать такое соотношение температуры и давления, при которых в одном месте вода будет существовать не в двух (о чём был Ваш вопрос), а одновременно в 3 состояниях. Это называется Тройная точка воды.
Почему тройная? Что за третье состояние?
software engineer at IDAGIO
Однозначно ответить на этот вопрос нельзя. Дело в том, что агрегатное состояние воды зависит от количества ее теплоты, измеряемого в джоулях. На примере: есть у вас некий объем льда. Окружающая температура равна нулям градусам по Цельсию (допустим, вода у нас без примесей и атмосферное давление соответствует нормальным условиям), но лед все равно не… Читать далее
Скучный дед, на последней ступеньке между мудростью и маразмом. Я предупредил.
Занимательный вопрос. Как уже было сказано, физики обожают работать с моделями. (Но,но! С идеальными моделями физических процессов!). Берем натерпевшегося уже выше крыши бедолагу – Кота Шредингера, и смотрим, утонет он или замерзнет. Сам Кот, естественно, на опыт повлиять не в состоянии. И в нелюбви к животным обвинять не надо. Что бы там ни говори… Читать далее
Для того чтобы расплавить лед необходимо его нагреть. Удельная теплота плавления льда – 335 кдж на кг. Т.е. чтобы растопить один килограмм льда надо приложить 335 000 джоулей. И наоборот, чтобы заморозить один литр воды эти 335000 джоулей надо из воды забрать. Так что при 0 градусов лед может плавиться а может и вода замерзать. Надо только понять… Читать далее
Хоспидя! Это же в школе изучается. Если лёд и воду поместить в помещение с 0 градусов, то их состояние не изменится. Для того, чтобы изменить агрегатное состояние вещества, надо либо истратить энергию, либо наоборот. Лет 30 назад мне об этом учителя говорили. Это же элементарные вещи.
Вы какую то глупость сказали
Замечательный вопрос! Действительно принято упрощённо считать, что 0℃ это температура замерзания воды или таяния льда. (Более того, сама шкала Цельсия была основана на паре 0℃ и 100℃ – замерзание и кипение воды при нормальных условиях). Логично, что возникает вопрос, а в каком именно состоянии будет находится вода непосредственно при нуле. Если мы… Читать далее
Есть хороший эксперимент: продержав бутылку 0.5 с питьевой или дистилированной водой в морозилке при – 18С примерно полтора часа, вода все еще будет в жидком состоянии, но стоит ударить по ней, как она тут же превратится в кусок льда.
Присоединяйтесь к экспертному сообществу!
Яндекс.Кью – это сервис экспертных ответов на вопросы. Мы объединяем людей, которые хотят делиться знаниями, помогать друг другу и менять мир к лучшему.
Вы тоже можете стать экспертом!
Узнать больше
Источник