Как называется процесс замерзания воды
Почему вода замерзает?
Вода является не только одним из самых необходимых, но и самых удивительных явлений на нашей планете.
Известно, что фактически все вещества, имеющие природное или искусственное происхождение способны находиться в разных агрегатных состояниях и менять их в зависимости от условий окружающей среды. И хотя ученые знают более десятка фазовых состояний, некоторые из которых можно получить только в пределах лаборатории, в природе чаще всего встречается только три подобных состояния: жидкое, твердое и газообразное. Вода может пребывать во всех трех этих состояниях, переходя из одного в другое в естественных условиях.
Почему вода замерзает
Вода, находящаяся в жидком состоянии имеет слабо связанные молекулы, которые пребывают в постоянном движении и пытаются сгруппироваться в структуру, но не могут сделать этого из-за тепла. В таком виде вода может принимать абсолютно любую форму, но не в состоянии самостоятельно ее удерживать. При нагревании молекулы начинают двигаться намного быстрее, они отдаляются друг от друга, а когда постепенно вода переходит в газообразное состояние, то есть превращается в водяной пар, связи между молекулами окончательно рвутся. При воздействии же на воду низких температур движение молекул сильно замедляется, молекулярные связи становятся очень прочными и молекулы, которым больше не мешает воздействие тепла, упорядочиваются в кристаллическую 
структуру, имеющую шестигранную форму. Все мы видели подобные шестигранники, выпадающие на землю в виде снежинок. Процесс превращения воды в лед называется кристаллизацией или застыванием. В твердом состоянии вода надолго может сохранять любую принятую ею форму.
Процесс кристаллизации воды начинается при температуре 0 градусов по шкале Цельсия, имеющей 100 единиц. Данная измерительная система используется во многих странах Европы и в СНГ. В Америке же температуру измеряют при помощи шкалы Фаренгейта, которая обладает 180 делениями. По ней вода переходит из жидкого состояния в твердое при 32 градусах.
Однако вода не всегда замерзает при этих температурах, так очень чистую воду можно переохладить до температуры — 40 °С и она не замерзнет. Дело в том, что в очень чистой воде нет примесей, служащих основанием для построения кристаллической структуры. Примесями, к которым крепятся молекулы, могут выступать частички пыли, растворенные соли и т.д.
Особенностью воды является тот факт, что в то время как при замерзании другие вещества сжимаются, она, преобразовавшись в лед, напротив, расширяется. Происходит это потому что, когда вода переходит из жидкого состояния в твердое, расстояние между ее молекулами немного увеличивается. И поскольку лед имеет меньшую плотность, чем вода, он плавает на ее поверхности.
Говоря о замерзании воды, нельзя не упомянуть и тот интересный факт, что горячая вода застывает быстрее холодной, как бы парадоксально это не звучало. Данное явление было известно еще во времена Аристотеля, но ни знаменитому философу, ни его последователям так и не удалось разгадать эту тайну и о феномене забыли на долгие годы. Вновь о нем заговорили лишь в 1963 году, когда школьник из Танзании Эрасто Мпемба обратил внимание, что при приготовлении мороженого быстрее застывает лакомство сделанное из подогретого молока. Мальчик рассказал об этом своему учителю физики, но тот поднял его на смех. Лишь в 1969 году познакомившись с профессором физики Деннисом Осборном, юноша он смог найти подтверждение своей догадки, после совместно проведенных экспериментов. С тех пор выдвигалось много гипотез относительно этого феномена, например, что горячая вода замерзает быстрее за счет своего быстрого испарения, которое приводит к уменьшению объема воды и, как следствие, более быстрому застыванию. Но ни одна из них так и не смогла объяснить природу данного явления.
Автор: Анна Виннер
Дата публикации — 17.09.12.
Перепечатка без активной ссылки запрещена
Вы можете приложить к своему отзыву картинки.
Замерзание воды: как замерзает вода, как влияет атмосферное давление, как меняет свои физические свойства
Вода – одно из самых необходимых веществ на нашей планете. Она имеет массу свойств, которые делают её, в какой-то степени уникальной. Одно из самых известных свойств, о котором знает даже маленький ребёнок, это замерзание воды. Известно, что 0 градусов Цельсия температура кристаллизации воды. Но не всё так просто. Некоторые тонкости этого процесса рассмотрим дальше.
Как замерзает вода
Кристаллизация воды – сам по себе очень интересный и многогранный процесс. Давайте разберемся, как это происходит. Как известно вода состоит из молекул, которые немного связаны между собой и стремятся к воссоединению. Всё довольно просо, при высоких температурах начинается отдаление молекул, а при низких температурах сближение. Под влиянием низких температур их движение замедляется и они, соединяясь, образовывают кристаллическую структуру. Кристаллизация, или же замерзание это превращение воды в лёд, переход в твёрдое состояние.
Температура замерзания воды
Процесс замерзания происходит при охлаждении её до ноля градусов по шкале Цельсия. Это касается не всей воды. Молекулы присоединяются к примесям, которыми являются частички пыли, соли и т.д. Поэтому чистая либо же дистиллированная вода, без присутствия этих самых примесей под воздействием низких температур по столбику Цельсия, дольше, чем обычная может оставаться в жидком состоянии.
Так же интересно, что при том, как другие вещества при замерзании уменьшаются в объеме, вода наоборот увеличивается. Все потому, что при переходе в твёрдое состояние, расстояние между молекулами расширяется. При том,что объём увеличивается, масса при замерзании не увеличивается, и весит столько же, сколько тёплая вода.
Многие задаются вопросом, почему вода не замерзает под толстым слоем льда. Любой физик ответит, что под слоем льда, вода не замерзает,так как поверхность льда служит теплоизолятором.
Отчего горячая вода замерзает быстрее холодной
Известен такой факт, что горячая или тёплая вода замерзает быстрее холодной воды. Невероятно, но факт. Это открытие сделал Эрасто Мпемба. Он проводил эксперименты с использованием мороженой массы,причём обнаружил, что если масса тёплая, то она быстрее замёрзнет. Причиной этого, как показали исследования, является высокая теплоотдача горячей и тёплой воды.
Взаимосвязаны ли температура замерзания воды и высота
Как известно, на высоте происходит изменение давления,поэтому температура перехода в твёрдое состояние всех водных растворов на высоте отличается от температуры на обычной поверхности.
Примеры изменения температурных показателей на высоте:
Как давление влияет на процесс кристаллизации воды
Если разобраться о взаимосвязи давления и кристаллизации воды, то всё довольно просто.
Интересно! Чем выше давление, тем скорость преобразования воды в кристаллы льда ниже, а температура кипения выше!
Вот и весь секрет, а если логически подумать, то при понижении давления, все показатели идут в обратные стороны. Поэтому в горах сложно что — то сварить, так как температура, при которой кипит вода, не доходит до ста градусов Цельсия. И наоборот лёд плавится даже при низких температурах.
Температура кристаллизации водных растворов
Вода служит хорошим растворителем и поэтому легко соединяется с другими веществами. Полученные растворы, конечно же, будут замерзать при разных условиях. Рассмотрим пару вариантов температурных критериев для замерзания разных растворов на основе воды.
Вода и спирт. При большом количестве спирта в воде,процесс замерзания начнётся при наличии очень низких температур. К примеру, при соотношении 60% воды на 40% спирта, кристаллизация начнётся при наличии минус 22,5°C.
Вода и соль. Температура, при которой произойдёт замерзание напрямую связано со степенью солёности воды. Принцип таков, чем больше соли в воде, тем ниже температура кристаллизации. С показателями содержания соли напрямую связано как замерзает морская вода.
Вода и сода. Температура кристаллизации раствора 44 процентов, составляет плюс 7°C.
Вода и глицерин, при соотношении 80% на 20%, где 80 – это глицерин, а 20 – это вода, для замерзания раствора нужно наличие — 20°C.
Все температурные значения колеблются в зависимости от степени концентрации чужеродных растворов или иного вещества в воде.
Еще одно объяснение эффекта Мпембы (это про почему кипяток замерзает быстрее холодной воды)
От переводчика: всю жизнь мучился вопросом, а тут на тебе- опять объяснили.
Краткое содержание: из-за наличия водородных связей в молекулах воды происходит изменение конфигурации ковалентных связей О-Н, с запасанием в них дополнительной энергии, выделяющейся при охлаждении и работающей как дополнительный подогрев, мешающий замерзанию. В горячей воде водородные связи растянуты, ковалентные не напряжены, запас энергии мал- остывание и замерзание идет быстрее. Существует некоторое характерное время tau, необходимое на формирование водородных связей, если процесс охлаждения будет идти медленно- то эффект Мпембы исчезнет. Если процесс охлаждения идет относительно быстро (до десятков минут)- то эффект выражен. Вероятно, должна быть и какая-то критическая температура, начиная с которой эффект появляется, но в статье это не отражено.
На КДПВ приведено изображение из оригинальной статьи, глядя на которое читатель должен со всей ясностью увидеть, что в ковалентных связях запасается энергия, которая затем может выделяться в виде дополнительного тепла, мешая остывать холодной воде.
История вопроса
Аристотель первым отметил, что горячая вода замерзает быстрее холодной, но химики всегда отказывались объяснять этот парадокс. До сегодняшнего дня.
Вода одно из самых обычных веществ на Земле, но в тоже время одно из самых загадочных. Например, как и у большинства жидкостей, ее плотность растет при охлаждении. Однако, в отличие от остальных, ее плотность достигает максимума при температуре 4С, а затем начинает уменьшаться вплоть до температуры кристаллизации.
В твердой фазе вода имеет несколько меньшую плотность, из-за чего лед плавает на поверхности воды. Это одна из причин существования жизни на Земле — если бы лед был плотнее воды, то при замерзании он опускался бы на дно озер и океанов, что сделало бы невозможным многие типы химических процессов, которые делают жизнь возможной.
Итак, существует странный эффект Мпембы, названный в честь танзанийского студента, который обнаружил, что горячая смесь для мороженого замерзает быстрее, чем холодная в морозилке школьной кухни где-то в начале 1960-х. (На самом деле этот эффект отмечался множеством исследователей в истории, начиная с Аристотеля, Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта).
Эффект Мпембы заключается том, что горячая вода замерзает быстрее холодной. Этот эффект измерялся во множестве случаев с различными объяснениями, изложенными далее. Одна из идей заключается в том, что горячие сосуды имеют лучший тепловой контакт с морозильной камерой и отводят тепло более эффективно. Другая- в том, что теплая вода испаряется быстрее, а так как этот процесс- эндотермический (идет с поглощением теплоты)- то он ускоряет замерзание.
Ни одно из этих объяснений не выглядит правдоподобным, поэтому реальное объяснение до сих пор отсутствовало.
Новое объяснение эффекта (теперь-то уж точно правильное)
Сегодня Зи Чанг из Наньянгского технологического университета Сингапура и несколько его коллег предоставили таковое. Эти ребята утверждают, что эффект Мпембы является результатом уникальных свойств различных типов связи, удерживающих молекулы воды вместе.
Так что же такого в этих связях? Каждая молекула воды состоит из сравнительно большого атома кислорода, соединенного с двумя маленькими атомами водорода обычной ковалентной связью. Но если поместить рядом несколько молекулы воды, то водородные связи тоже начнут играть важную роль. Это происходит из-за того, что атомы водорода одной молекулы располагаются вблизи кислорода другой молекулы, и взаимодействуют с ним. Водородные связи намного слабее ковалентных (прим. пер.
в 10 раз), но сильнее чем Ван-дер-Ваальсовы силы, которые использует геккон для прилипания к вертикальным стенам.
Химики давно знают о важности этих связей. Например, точка кипения воды намного выше, чем у других жидкостей с похожими молекулами, из-за того, что водородные связи удерживают молекулы вместе.
Но в последние годы химики все более интересуются другими ролями, которые могут играть водородные связи. Например, молекулы воды в тонких капиллярах формируют длинные цепочки, удерживаемые водородными связями. Это очень важно для растений, у которых испарение воды через мембраны листьев эффективно протаскивает цепь молекул воды от корней вверх.
Теперь Зи с соавторами утверждают, что водородные связи так же объясняют эффект Мпембы. Их ключевая идея состоит в том, что водородные связи приводят к более плотному контакту молекул воды, и когда это происходит, естественное отталкивание между молекулами приводит к сжатию ковалентных связей и накоплению энергии в них.
Однако, когда жидкость нагревается, расстояние между молекулами увеличивается, а водородные связи растягиваются. Это также позволяет увеличить длину ковалентных связей и таким образом- отдать обратно энергию, накопленную в них. Важным элементом теории является тот факт, что процесс, при котором ковалентные связи отдают накопленную в них энергию- эквивалентен охлаждению!
В действительности- этот эффект усиливает обычный процесс охлаждения. Таким образом, горячая вода должна охлаждаться быстрее холодной, рассуждают авторы. И это именно то, что мы наблюдаем в эффекте Мпембы.
Почему новое объяснение лучше предыдущих?
Эти ребята рассчитали величину дополнительного охлаждения, и показали, что она в точности соответствует наблюдаемой разнице в экспериментах по измерению разности скоростей охлаждения горячей и холодной воды. Вуаля! Это интересный взгляд на сложные и загадочные свойства воды, которые все еще заставляют химиков не спать по ночам. Несмотря на то, что идея Зи и соавторов убедительна, она может оказаться очередной ошибкой теоретиков, которую другие физики должны будут опровергнуть. Это оттого, что теории не хватает прогностической силы (по крайней мере- в оригинальной статье).
Зи и соавторам необходимо воспользоваться своей теорией для предсказания новых свойств воды, которые не выводятся из обычных рассуждений. Например, если ковалентные связи укорачиваются- это должно приводить к возникновению каких-то новых измеряемых свойств воды, которые не должны были бы проявляться в противном случае. Открытие и измерение таких свойств было бы последней вишенкой на торте, которой не хватает теории в ее текущем виде.
Итак, несмотря на то, что парни, возможно, неплохо объяснили эффект Мпембы, им необходимо чуток поднапрячься, чтобы убедить в этом остальных.
Как бы то ни было, теория у них интересная.
P.S. в 2016 один из соавторов — Чанг Солнце (Chang Q. Sun) совместно с Йи Солнцем (Yi Sun) опубликовали более полное изложение предложенной теории, с рассмотрением поверхностных эффектов, конвекции, диффузии, излучения и других факторов- и вроде бы наблюдают хорошее согласие с экспериментом (Springer).
Литература
Ref: arxiv.org/abs/1310.6514: O:H-O Bond Anomalous Relaxation Resolving Mpemba Paradox
почему «опять объяснили»- а потому что уже было:
Почему кристаллизуется вода
Нашу планету по праву можно называть водным миром, ведь две трети поверхности занято именно водой. Кроме того, человек на 80% состоит из воды. Она повсюду и участвует во всех процессах. Мы все знаем, что вода может существовать в трех ипостасях — жидком, газообразном и твердом виде. Однако эти простые истины не очень хорошо изучены. Например, кто скажет, при какой температуре замерзает вода?
Градус замерзания воды: так ли всё очевидно?
Общеизвестно, что вода превращается в лед при температуре 0 градусов Цельсия. Но возьмем для опыта емкость с жидкостью приблизительно остуженной до этой температуры и опустим в неё кусочек льда. Что случится? Собственно ничего — вода не замерзнет, а лед не растает. Причина проста. Для таяния или кристаллизации не созданы условия, то есть, по-научному, нет фазового перехода.
Это означает, что для замерзания воды требуется не только низкая температура, но и ряд дополнительных факторов. Одним из существенных условий является атмосферное давление. Температура кристаллизации жидкости имеет прямую зависимость от столбика барометра. Например, на высоте 1-2 км, вода замерзнет уже при +2… +3 градусах Цельсия.
Примеси и процесс замерзания воды
Состав жидкости, также как и давление воздуха, оказывает влияние на физические процессы кристаллизации. Наличие в составе органики и неорганики — молекул песка, минеральных частиц, пыли, заставляет воду быстрее замерзать. Вокруг этих веществ быстрее образуются ледяные кристаллы.
В дистилляте — очищенной от примесей воде — процесс кристаллизации может не начаться даже при минусовой температуре. В составе нет потенциальных ядер, вокруг которых образовывались бы льдинки. Однако если емкость имеет трещины или сколы, то они могут выступить в роли центров кристаллизации.
Уникальные свойства воды
Уважаемые читатели!
Спасибо, что читаете наш блог! Получайте самые интересные публикации раз в месяц оформив подписку. Новым читателям предлагаем попробовать нашу воду бесплатно, при первом заказе выберите 12 бутылок (2 упаковки) минеральной воды BioVita или питьевой воды Stelmas. Операторы свяжутся с Вами и уточнят детали. Тел. 8 (800) 100-15-15
* Акция для Москвы, МО, Санкт-петербурга, ЛО
Эффект Мпембы. Длиннотекст.
И так, что это и с чем его едят?
Эффект Мпембы (Парадокс Мпембы) — парадокс, который гласит, что горячая вода при некоторых условиях замерзает быстрее, чем холодная, хотя при этом она должна пройти температуру холодной воды в процессе замерзания. Данный парадокс является экспериментальным фактом, противоречащим обычным представлениям, согласно которым при одних и тех же условиях более нагретому телу для охлаждения до некоторой температуры требуется больше времени, чем менее нагретому телу для охлаждения до той же температуры.
Этот феномен замечали в своё время Аристотель, Френсис Бэкон и Рене Декарт, однако лишь в 1963 году танзанийский школьник Эрасто Мпемба установил, что горячая смесь мороженого замерзает быстрее, чем холодная.
До сих пор никто точно не знает, как объяснить этот странный эффект. У учёных нет единой версии, хотя существует много. Всё дело в разнице свойств горячей и холодной воды, но пока не понятно, какие именно свойства играют роль в этом случае: разница в переохлаждении, испарении, формировании льда, конвекции или воздействии разжиженных газов на воду при разных температурах.
Парадоксальность эффекта Мпембы в том, что время, в течение которого тело остывает до температуры окружающей среды, должно быть пропорционально разности температур этого тела и окружающей среды. Этот закон был установлен еще Ньютоном и с тех пор много раз подтверждался на практике. В данном же эффекте вода с температурой 100°С остывает до температуры 0°С быстрее, чем такое же количество воды с температурой 35°С.
Тем не менее, это еще не предполагает парадокс, поскольку эффекту Мпембы можно найти объяснение и в рамках известной физики. Вот несколько объяснений эффекта Мпембы:
Горячая вода быстрее испаряется из контейнера, уменьшая тем самым свой объём, а меньший объем воды с той же температурой замерзает быстрее. Нагретая до 100 С вода теряет 16% своей массы при охлаждении до 0 С.
Эффект испарения – двойной эффект. Во-первых, уменьшается масса воды, которая необходима для охлаждения. И во-вторых, снижается температура из-за того, что уменьшается теплота испарения перехода из фазы воды в фазу пара.
Когда вода охлаждается ниже 0 С она не всегда замерзает. При некоторых условиях она может претерпевать переохлаждение, продолжая оставаться жидкой при температурах ниже температуры точки замерзания. В некоторых случаях вода может оставаться жидкой даже при температуре –20 С.
Причина этому эффекту в том, что для того, чтобы начали формироваться первые кристаллы льда нужны центры кристаллообразования. Если их нет в жидкой воде, тогда переохлаждение будет продолжаться до тех пор, пока температура не понизится настолько, что кристаллы начнут формироваться спонтанно. Когда они начнут формироваться в переохлаждённой жидкости, они начнут расти быстрее, формируя лёдовую шугу, которая замерзая, будет образовывать лёд.
Горячая вода больше всего подвержена переохлаждению поскольку её нагревание устраняет растворённые газы и пузырьки, которые в свою очередь, могут служить центрами образования кристаллов льда.
Почему же переохлаждение заставляет горячую воду застывать быстрее? В случае с холодной водой, которая не переохлаждается происходит следующее. В этом случае тонкий слой льда будет образовываться на поверхности сосуда. Этот слой льда будет действовать как изолятор между водой и холодным воздухом и будет препятствовать дальнейшему испарению. Скорость формирования кристаллов льда в этом случае будет меньше. В случае с горячей водой, подвергающейся переохлаждению, переохлаждённая вода не имеет защитного поверхностного слоя льда. Поэтому она теряет тепло намного быстрее через открытый верх.
Когда процесс переохлаждения заканчивается и вода замерзает, теряется намного больше тепла и поэтому формируется больше льда.
Многие исследователи этого эффекта считают переохлаждение главным фактором в случае с эффектом Мпемба.
Холодная вода начинает замерзать сверху, ухудшая тем самым процессы теплоизлучения и конвекции, а значит и убыли тепла, тогда как горячая вода начинает замерзать снизу.
Объясняется этот эффект аномалией плотности воды. Вода имеет максимальную плотность при 4 С. Если охладить воду до 4 С и положить её при более низкой температуре, поверхностный слой воды замерзнет быстрее. Потому что эта вода менее плотная чем вода при температуре 4 С, она останется на поверхности, формируя тонкий холодный слой. При этих условиях тонкий слой льда будет формироваться на поверхности воды в течение короткого времени, но этот слой льда будет служить изолятором, защищающим нижние слои воды, которые будут оставаться при температуре 4 С. Поэтому дальнейший процесс охлаждения будет проходить медленнее.
В случае с горячей водой ситуация совершенно иная. Поверхностный слой воды будет охлаждаться более быстрее за счёт испарения и большей разницы температур. Кроме того, холодный слои воды более плотные, чем слои горячей воды, поэтому слой холодной воды будет опускаться вниз, поднимая слой тёплой воды на поверхность. Такая циркуляция воды обеспечивает быстрое падение температуры.
Но почему этот процесс не достигает точки равновесия? Для объяснения эффекта Мпембы с этой точки зрения конвекции следовало бы принять, что холодные и горячие слои воды разделены и сам процесс конвекции продолжается после того, как средняя температура воды опустится ниже 4 С.
Однако, нет экспериментальных данных, которые подтверждали бы эту гипотезу, что холодные и горячие слои воды разделены в процессе конвекции.
Растворённые в воде газы
Вода всегда содержит растворённые в ней газы – кислород и углекислый газ. Эти газы имеют способность уменьшать точку замерзания воды. Когда вода нагрета, эти газы выделяются из воды, поскольку их растворимость в воде при высокой температуре ниже. Поэтому когда горячая вода охлаждается, в ней всегда меньше растворённых газов, чем в не нагретой холодной воде. Поэтому точка замерзания нагретой воды выше и она замерзает быстрее. Этот фактор иногда рассматривается как главный при объяснении эффекта Мпембы, хотя никаких экспериментальных данных, подтверждающих этот факт нет.
Этот механизм может играть существенную роль когда вода помещается в морозильник холодильной камеры в небольших контейнерах. В этих условиях замечено, что контейнер с горячей водой протаивает под собой лёд морозильной камеры, улучшая тем самым тепловой контакт со стенкой морозилки и теплопроводность. В результате чего, тепло отводится от контейнера с горячей водой быстрее, чем от холодного. В свою очередь контейнер с холодной водой не протаивает под собой снег.
Так, например, в 1995 году немецкий физик Давид Ауэрбах изучал влияние переохлаждения воды на этот эффект. Он обнаружил, что горячая вода, достигая переохлажденного состояния, замерзает при более высокой температуре, чем холодная, а значит быстрее последней. Зато холодная вода достигает переохлажденного состояния быстрее горячей, компенсируя тем самым предыдущее отставание.
Кроме того, результаты Ауэрбаха противоречили полученным ранее данным, что горячая вода способна достичь большего переохлаждения из-за меньшего количества центров кристаллизации. При нагревании воды из нее удаляются растворенные в ней газы, а при ее кипячении выпадают в осадок некоторые растворенные в ней соли.