Na kojoj temperaturi se zamrzava voda

Na kojoj temperaturi se zamrzava voda? Čini se - najjednostavnije pitanje, koje čak i dijete može odgovoriti: točka smrzavanja vode pri normalnom atmosferskom tlaku od 760 mm Hg je nula stupnjeva Celzija.

Međutim, voda (unatoč izrazito rasprostranjenoj na planeti) je najtajanstvenija i najneobičnija nije u potpunosti proučena tvar, pa odgovor na to pitanje zahtijeva temeljitu i obrazloženu razgovor.

• U Rusiji i Europi temperatura se mjeri na skali Celzijusa, čija je najveća vrijednost 100 stupnjeva.
• Američki znanstvenik Fahrenheit razvio je svoju skalu, koja ima 180 podjela.
• Postoji još jedna jedinica za mjerenje temperature, Kelvin, nazvana po engleskom fizičaru Thomsonu, koji je dobio titulu lorda Kelvina.

Države i vrste vode

Voda na planeti Zemlji može uzeti tri osnovna agregatna stanja: tekuće, čvrsto i plinovito, koje se mogu pretvoriti u različite oblici koji istodobno koegzistiraju jedni s drugima (ledenjaci u morskoj vodi, vodena para i kristali leda u oblacima na nebu, ledenjaci i slobodno teče River).

Ovisno o podrijetlu, namjeni i sastavu vode može biti:

• svježe;
• mineralna;
• morski;
• piće (ovdje ćemo nositi vodu iz slavine);
• kiša;
• odmrznuti;
• slan;
• strukturiran;
• destilirane;
• deionizirane.

Prisutnost izotopa vodika čini vodu:

1. lako;
2. teški (deuterij);
3. super teški (tritij).

Svi znamo da je voda meka i tvrda: ovaj pokazatelj određen je sadržajem kationa magnezija i kalcija.

Svaki od navedenih tipova i agregatnih stanja vode koje smo naveli ima svoju točku smrzavanja i taljenja.

Točka smrzavanja vode

Zašto se voda zamrzava? Obična voda uvijek sadrži neke suspendirane čestice mineralnog ili organskog porijekla. To mogu biti najmanje čestice gline, pijeska ili kućne prašine.

Kada temperatura okoline padne na određene vrijednosti, te čestice preuzimaju ulogu središta oko kojih se počinju stvarati kristali leda.

Zračni mjehurići mogu također postati jezgre kristalizacije, kao i pukotine i oštećenja na zidovima posude koja sadrži vodu. Brzina procesa kristalizacije vode u velikoj je mjeri određena brojem tih središta: što ih je više, to se brže zamrzava tekućina.

Zašto se vruća voda zamrzava brže od hladne?

Vruća voda zamrzava brže od hladne - Erasto Mpemba, školarac iz Tanganjike, uočio je ovaj fenomen. Njegovi eksperimenti s masom za proizvodnju sladoleda pokazali su da je brzina smrzavanja grijane mase mnogo veća od hladne.

Jedan od razloga ovog zanimljivog fenomena, nazvanog "paradoks Mpemba", je viši prijenos topline vruće tekućine, kao i prisutnost većeg broja jezgara kristalizacije u odnosu na hladna voda.

Je li točka ledišta povezana s visinom?

Kada se promijeni tlak, često povezan s različitim visinama, točka ledišta počinje se radikalno razlikovati od standardne, tipične za normalne uvjete. Kristalizacija vode na visini događa se pri sljedećim temperaturnim vrijednostima:

• Paradoksalno, na nadmorskoj visini od 1000 m voda se smrzava na 2 stupnja Celzija;
• na visini od 2000 metara to se događa već pri 4 stupnja topline.

Najviša temperatura zamrzavanja vode u planinama promatrana je na nadmorskoj visini od preko 5.000 tisuća metara (na primjer, u planinama Fan ili u Pamiru).

Kako pritisak utječe na kristalizaciju vode?

Pokušajmo povezati dinamiku promjene točke smrzavanja vode s promjenom tlaka.

• Uz pritisak od 2 atm, voda će se smrznuti na temperaturi od -2 stupnja.
• S tlakom od 3 atm, početak smrzavanja vode bit će temperatura od -4 stupnja Celzija.

Zato je u uvjetima visokih planina i razvedene atmosfere vrlo teško kuhati čak i jaja, jer voda u loncu kipi već pri 80 stupnjeva. Jasno je da je na takvoj temperaturi jednostavno nemoguće kuhati hranu.

S visokim tlakom proces taljenja leda ispod lopatica klizaljki odvija se čak i na vrlo niskim temperaturama, ali zahvaljujući njemu klizači klizne na površini leda.

Slično tome, objašnjava se zamrzavanje trkača teško natovarenih sanjki u pričama o Jacku Londonu. Teški sanjkari koji vrše pritisak na snijeg uzrokuju rastapanje. Nastala voda olakšava njihovo klizanje. No, vrijedi zaustaviti narts i ostati dugo vremena na jednom mjestu, jer će raseljena voda, zamrznuta, zamrznuti trkače do ceste.

Temperatura kristalizacije vodenih otopina

Kao izvrsno otapalo, voda lako reagira s različitim organskim i anorganskim tvarima, stvarajući masu ponekad neočekivanih kemijskih spojeva. Naravno, svaka od njih će se smrznuti na različitim temperaturama. Razmislite o tome na vizualnom popisu.

• Točka smrzavanja smjese alkohola i vode ovisi o postotnom omjeru obje komponente u njemu. Što je više vode dodano u otopinu, njezina temperatura smrzavanja bliže je nuli. Ako je više alkohola u otopini, proces kristalizacije će započeti na vrijednostima blizu -114 stupnjeva.

  Važno je znati da vodeno-alkoholna otopina nema fiksnu temperaturu smrzavanja. Obično se govori o temperaturi početka procesa kristalizacije i temperaturi konačnog prijelaza u čvrsto stanje.

  Između početka nastanka prvih kristala i potpunog skrućivanja otopine alkohola nalazi se temperaturni interval od 7 stupnjeva. Dakle, točka smrzavanja vode s alkoholom koncentracije 40% u početnoj fazi je -22,5 stupnjeva, a konačni prijelaz otopine u čvrstu fazu će se odvijati na -29,5 stupnjeva.

Za mjerenje slanosti vode koristite posebnu jedinicu - "ppm". Tako smo otkrili da se točka smrzavanja vode smanjuje s povećanjem koncentracije soli. Objasnimo to s primjerom:

Razina slanosti oceanske vode je 35 ppm, dok je prosječna vrijednost zamrzavanja 1,9 stupnjeva. Stupanj slanosti voda Crnog mora je 18-20 ppm, tako da se smrzavaju na višoj temperaturi s rasponom od -0,9 do -1,1 stupnjeva Celzija.

• Točka smrzavanja vode sa šećerom (za otopinu čija je molalnost 0,8) je -1,6 stupnjeva.
• Točka smrzavanja vode s nečistoćama uvelike ovisi o njihovoj količini i prirodi nečistoća koje čine vodenu otopinu.
• Točka smrzavanja vode s glicerinom ovisi o koncentraciji otopine. Otopina koja sadrži 80 ml glicerina će se smrznuti na -20 stupnjeva, dok će se sadržaj glicerola smanjiti na 60 ml kristalizacijskog procesa započet će na -34 stupnja, a početak zamrzavanja 20% otopine - minus pet stupnjeva. Kao što možete vidjeti, u ovom slučaju ne postoji linearna veza. Za zamrzavanje 10% otopine glicerina dovoljna je temperatura od -2 stupnja.
• Točka smrzavanja vode sa sokom (što podrazumijeva kaustičnu lužinu ili kaustičnu soku) je tajnovitija slika: 44% kaustična otopina se smrzava na +7 stupnjeva Celzija, a 80% - na + 130.

Zamrzavanje slatke vode

Proces stvaranja leda u slatkovodnim vodama pojavljuje se na malo drugačijoj temperaturi.

• Točka smrzavanja vode u jezeru, baš kao i točka ledišta u rijeci, je nula stupnjeva Celzija. Zamrzavanje najčišćih rijeka i potoka ne počinje od površine, već od dna, gdje su jezgre kristalizacije prisutne u obliku čestica dna. Isprva se korice i vodene biljke prekrivaju koricom leda. Čim se dno leda podigne na površinu, rijeka se odmah zamrzne.
• Zamrznuta voda u Bajkalu može se ponekad ohladiti na negativne temperature. To se događa samo u plitkoj vodi; temperatura vode može biti u tisućinskom, a ponekad i stotinki stupnja ispod nule.
• Temperatura vode Bajkala ispod kore ledenog pokrova, u pravilu, ne prelazi +0.2 stupnjeva. U donjim slojevima postupno se diže na +3.2 na dnu najdubljeg bazena.

Točka smrzavanja destilirane vode

Je li destilirana voda zamrznuta? Podsjetimo da je za zamrzavanje vode potrebno prisustvo nekih centara za kristalizaciju, s mogu postojati mjehurići zraka, suspendirane čestice i oštećenja na zidovima spremnika u kojem se nalaze nalazi se.

Voda podvrgnuta vrlo niskim temperaturama, ali ne kristalizirana, naziva se "superhlađena". Možete staviti bocu destilirane vode u zamrzivač, dobiti hipotermiju, a zatim pokazati vrlo učinkovit trik - pogledajte video:

Pritiskom na bocu izvađenu iz hladnjaka, ili bacanjem malog komada leda u nju, možete pokazati kako se odmah pretvara u led, s pojavom izduženih kristala.

Destilirana voda: zamrzava li ta pročišćena tvar ili nije pod tlakom? Takav proces moguć je samo u posebno stvorenim laboratorijskim uvjetima.

Točka smrzavanja slane vode

1. Zamrzava li slanu vodu? Zbog visoke koncentracije soli, oceana i morske vode zamrzavaju na temperaturi od -1,9 stupnjeva Celzija.
2. Temperatura zamrzavanja vode u morima i oceanima nema stalnu vrijednost, jer je salinitet vode u različitim morima oceana potpuno drugačiji.
3. Kako točka smrzavanja oceanske vode ovisi o njezinom salinitetu? Postoji izravna veza između tih vrijednosti. Što je voda slanija, veća je njezina gustoća, a za zamrzavanje takve vode potrebna je dovoljno niska temperatura.
4. Prosječna temperatura mora i oceana je -4 stupnja.

Točka smrzavanja pojedinih mora

S koliko stupnjeva voda zamrzava:

• Kaspijsko more? Slanost kaspijskih voda je oko 13 ppm. Njihovo zamrzavanje se događa na -0,5 stupnjeva Celzija. Debljina ledenog pokrova sjevernog dijela Kaspijskog mora iznosi oko dva metra.
• Azovsko more? Njegova slana voda zamrzava na temperaturi od -0,5 do -0,7 stupnjeva Celzija. Salinitet je oko 11 ppm. Debljina leda koji pokriva more od prosinca do ožujka je jedan metar.
• Japansko more? Zašto se slane vode ovog mora ne smrznu? Razlog tome je visoka razina slanosti (oko 34 ppm) i zemljopisni položaj mora.
• Baltičko more? Sa salinitetom od samo 6–8 ppm, temperatura smrzavanja morske vode u Baltiku blizu je nule.

Izrazite odgovore

S koliko stupnjeva voda zamrzava:

1. U cijevima za grijanje? U slučaju gašenja grijanja ili kvara grijanja u privatnoj kući ili seoskoj kući, voda se može smrznuti za nekoliko dana na temperaturi od -5 stupnjeva. Odgoditi početak takvog ishoda pomoći će toplinska izolacija cijevi i drugih elemenata zgrade. Unutar stana, zamrzavanje vode u cijevima počinje na -1 stupnjeva. Ako ova temperatura traje 2-3 dana, može doći do pucanja cijevi i zagrijavanja baterija.
2. Pod zemljom? Podzemna voda može biti tekuća, čvrsta i para. Čvrsta faza vode u tlu je led, koji može biti dugoročan (u uvjetima permafrosta) i sezonski. Zamrzavanje vode u tlu događa se na temperaturama ispod nule, jer sve one nisu čista voda, već sve vrste njezinih otopina. Vrijednost temperature smrzavanja u velikoj mjeri ovisi o salinitetu podzemnih voda.
3. U letu? Stanovnici Yakutije imaju jednostavan način da odrede temperaturu zraka: ona je ispod -42 stupnjeva, ako je pljuvačka koju je oslobodio čovjek ima vremena da se smrzne prije nego dođe do tla.
4. U vakuumu? Sadržaj cijevi, stavljen pod zvono vakuum pumpe na temperaturi od 0 stupnjeva, najprije kipi, a nakon isparavanja osmog dijela tekuće ledene kore formira se na njegovoj površina.
5. U motoru automobila? Maksimalna temperatura zamrzavanja vode u motoru može doseći -5 stupnjeva: pri nižim vrijednostima, kristali leda će jednostavno razbiti unutarnju strukturu bloka motora. Isto tako je i točka smrzavanja vode u radijatoru. Slični problemi u automobilu mogu nastati i ako nema dovoljno izolacije gore navedenih jedinica, kao i zbog predugog parkiranja.
6. Na klizalištu? Ovisno o tome koja natjecanja bi se trebala održati na ledenoj areni, temperatura ledene površine može biti od -3 do -5 stupnjeva. Led s većom (od -3 do -4) površinskom temperaturom pogodan je za klizanje, budući da je njegova mekoća što omogućuje potrebnu čvrstoću prianjanja s klizaljkama. Tvrdi led, pogodan za timski hokej, dobiva se na temperaturi od -5 stupnjeva. Na "hladnom" ledu, brzina igrača se povećava i mogućnost stvaranja snijega "kaša" na svojoj površini se smanjuje. Kvaliteta leda prvenstveno ovisi o kemijskom sastavu vode, dakle, da bi se ispunila, upotrijebiti ne obična tekućina iz slavine, već ili pročišćena ili obrađena voda s posebnim uređajima.