W jakiej temperaturze zamarza woda

W jakiej temperaturze zamarza woda? Wydawałoby się - najprostsze pytanie, na które może odpowiedzieć nawet dziecko: temperatura zamarzania wody przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym 760 mm Hg wynosi zero stopni Celsjusza.

Jednak woda (pomimo niezwykle rozpowszechnionego jej na planecie) jest najbardziej tajemnicza i nie w pełni zbadana substancja, więc odpowiedź na to pytanie wymaga dokładnego i uzasadnionego rozmowa.

• W Rosji i Europie temperatura jest mierzona w skali Celsjusza, której najwyższa wartość wynosi 100 stopni.
• Amerykański naukowiec Fahrenheit rozwinął swoją skalę, która ma 180 podziałów.
• Jest jeszcze jedna jednostka pomiaru temperatury, Kelvin, nazwana na cześć angielskiego fizyka Thomsona, który otrzymał tytuł Lorda Kelvina.

Stany i rodzaje wody

Woda na Ziemi może przyjmować trzy podstawowe stany agregacji: ciekły, stały i gazowy, które mogą przekształcić się w różne formy, które jednocześnie współistnieją ze sobą (góry lodowe w wodzie morskiej, para wodna i kryształy lodu w chmurach na niebie, lodowce i swobodny przepływ rzeki).

W zależności od pochodzenia, celu i składu wody może być:

• świeże;
• minerał;
• morski;
• picie (tutaj będziemy nosić wodę z kranu);
• deszcz;
• rozmrożone;
• słonawy;
• uporządkowany;
• destylowany;
• dejonizowany.

Obecność izotopów wodoru sprawia, że ​​woda:

1. łatwe
2. ciężki (deuter);
3. super ciężki (tryt).

Wszyscy wiemy, że woda jest miękka i twarda: wskaźnik ten zależy od zawartości kationów magnezu i wapnia.

Każdy z typów i stanów agregujących wody, które wymieniliśmy, ma swój własny punkt zamarzania i topnienia.

Temperatura zamarzania wody

Dlaczego woda zamarza? Zwykła woda zawsze zawiera pewne zawieszone cząsteczki pochodzenia mineralnego lub organicznego. Mogą to być najmniejsze cząsteczki gliny, piasku lub kurzu domowego.

Gdy temperatura otoczenia spada do pewnych wartości, cząstki te pełnią rolę centrów, wokół których zaczynają tworzyć się kryształy lodu.

Pęcherzyki powietrza mogą również stać się jądrami krystalizacji, jak również pęknięciami i uszkodzeniami ścian naczynia zawierającego wodę. Szybkość procesu krystalizacji wody zależy w dużej mierze od liczby tych centrów: im więcej, tym szybciej zamarza ciecz.

Dlaczego gorąca woda zamarza szybciej niż zimna?

Gorąca woda zamarza szybciej niż zimno - Erasto Mpemba, uczeń z Tanganiki, zauważył to zjawisko. Jego eksperymenty z masą do produkcji lodów pokazały, że prędkość zamrażania podgrzanej masy jest znacznie wyższa niż prędkość zimna.

Jedną z przyczyn tego interesującego zjawiska, zwanego „paradoksem Mpemba”, jest wyższa przenikanie ciepła gorącej cieczy, jak również obecność większej liczby jąder krystalizacji w porównaniu z zimna woda.

Czy temperatura zamarzania wody jest połączona z wysokością?

Gdy zmienia się ciśnienie, często związane z przebywaniem na różnych wysokościach, punkt zamarzania wody zaczyna radykalnie różnić się od standardowego, typowego dla normalnych warunków. Krystalizacja wody na wysokości następuje przy następujących wartościach temperatury:

• Paradoksalnie, na wysokości 1000 m woda zamarza w 2 stopniach Celsjusza;
• na wysokości 2000 metrów dzieje się to już przy 4 stopniach ciepła.

Najwyższą temperaturę zamarzania wody w górach obserwuje się na wysokości ponad 5000 tysięcy metrów (na przykład w górach Fan lub w Pamirach).

Jak ciśnienie wpływa na krystalizację wody?

Spróbujmy powiązać dynamikę zmian temperatury zamarzania wody ze zmianą ciśnienia.

• Przy ciśnieniu 2 atm woda zamarznie w temperaturze -2 stopni.
• Przy ciśnieniu 3 atm początek zamarzania wody będzie wynosił -4 stopnie Celsjusza.

Dlatego w warunkach wysokich gór i rozrzedzonej atmosfery bardzo trudno jest zagotować nawet jajka, ponieważ woda w garnku wrze już przy 80 stopniach. Oczywiste jest, że w takiej temperaturze po prostu nie da się gotować żywności.

Przy wysokim ciśnieniu proces topnienia lodu pod ostrzami łyżew zachodzi nawet w bardzo niskich temperaturach, ale to dzięki niemu łyżwy ślizgają się po powierzchni lodu.

Podobnie wyjaśnia się zamrożenie biegaczy ciężko załadowanych sanek w opowieściach o Jacku Londynie. Ciężkie sanie, które wywierają nacisk na śnieg, powodują jego topnienie. Uzyskana woda ułatwia ich przesuwanie. Ale warto zatrzymać przystanie i pozostać przez długi czas w jednym miejscu, ponieważ wyparta woda, zamarznięta, zamrozi biegaczy na drogę.

Temperatura krystalizacji roztworów wodnych

Jako doskonały rozpuszczalnik woda łatwo reaguje z różnymi substancjami organicznymi i nieorganicznymi, tworząc masę czasami nieoczekiwanych związków chemicznych. Oczywiście każdy z nich zamarznie w różnych temperaturach. Odzwierciedl to na liście wizualnej.

• Temperatura zamarzania mieszaniny alkoholu i wody zależy od stosunku procentowego obu składników. Im więcej wody dodaje się do roztworu, tym bliżej jej zera temperatura zamarzania. Jeśli w roztworze znajduje się więcej alkoholu, proces krystalizacji rozpocznie się przy wartościach bliskich -114 stopni.

  Ważne jest, aby wiedzieć, że roztwory wody i alkoholu nie mają stałej temperatury zamarzania. Zazwyczaj mówią o temperaturze początku procesu krystalizacji i temperaturze końcowego przejścia do stanu stałego.

  Pomiędzy początkiem powstawania pierwszych kryształów i całkowitym zestaleniem roztworu alkoholu mieści się przedział temperatur 7 stopni. Zatem temperatura zamarzania wody z alkoholem o stężeniu 40% na początkowym etapie wynosi -22,5 stopnia, a końcowe przejście roztworu do fazy stałej nastąpi przy -29,5 stopnia.

Aby zmierzyć zasolenie wody, użyj specjalnej jednostki - „ppm”. Odkryliśmy więc, że temperatura zamarzania wody maleje wraz ze wzrostem stężenia soli. Wyjaśnijmy to na przykładzie:

Poziom zasolenia wody oceanicznej wynosi 35 ppm, podczas gdy średnia wartość zamarzania wynosi 1,9 stopnia. Stopień zasolenia wód Morza Czarnego wynosi 18-20 ppm, więc zamrażają się w wyższej temperaturze w zakresie od -0,9 do -1,1 stopnia Celsjusza.

• Temperatura zamarzania wody z cukrem (dla roztworu, którego molalność wynosi 0,8) wynosi -1,6 stopnia.
• Temperatura zamarzania wody z zanieczyszczeniami zależy w dużej mierze od ich ilości i charakteru zanieczyszczeń, które tworzą wodny roztwór.
• Temperatura zamarzania wody z gliceryną zależy od stężenia roztworu. Roztwór zawierający 80 ml gliceryny zamarza w temperaturze -20 stopni, zmniejszając jednocześnie zawartość glicerolu do 60 ° C ml procesu krystalizacji rozpocznie się przy -34 stopniach, a początek zamrożenia 20% roztworu - minus pięć stopnie Jak widać, w tym przypadku nie ma liniowej zależności. Do zamrożenia 10% roztworu gliceryny wystarczy temperatura -2 stopni.
• Temperatura zamarzania wody z sodą (co oznacza żrącą zasadę lub sodę kaustyczną) jest bardziej tajemniczy obraz: 44% roztwór kaustyczny zamarza w +7 stopniach Celsjusza, a 80% - przy + 130.

Mrożenie słodkiej wody

Proces tworzenia się lodu w zbiornikach wody słodkiej zachodzi w nieco innej temperaturze.

• Temperatura zamarzania wody w jeziorze, podobnie jak temperatura zamarzania wody w rzece, wynosi zero stopni Celsjusza. Zamrażanie najczystszych rzek i strumieni nie zaczyna się od powierzchni, ale od dna, gdzie znajdują się jądra krystalizacji w postaci cząstek szlamu dennego. Początkowo zaczepy i rośliny wodne pokrywają się skorupą lodu. Gdy tylko dolny lód wzniesie się na powierzchnię, rzeka natychmiast zamarza.
• Zamrożona woda w Bajkału może czasami być chłodzona do ujemnych temperatur. Dzieje się tak tylko w płytkiej wodzie; temperatura wody może wynosić tysięczną, a czasami setną część stopnia poniżej zera.
• Temperatura wody Bajkał pod skorupą pokrywy lodowej z reguły nie przekracza +0,2 stopnia. W niższych warstwach stopniowo wzrasta do +3,2 na dnie najgłębszego basenu.

Temperatura zamarzania wody destylowanej

Czy woda destylowana zamarza? Przypomnijmy, że do zamrażania wody wymagana jest obecność w niej niektórych centrów krystalizacji mogą występować pęcherzyki powietrza, zawieszone cząsteczki i uszkodzenia ścian zbiornika, w którym się znajdują znajduje się.

Woda poddana bardzo niskiej temperaturze, ale nie skrystalizowana, nazywana jest „przechłodzeniem”. Możesz umieścić butelkę wody destylowanej w zamrażarce, uzyskać hipotermię, a następnie zademonstrować bardzo skuteczną sztuczkę - zobacz film:

Naciskając butelkę wyjętą z lodówki lub wrzucając do niej mały kawałek lodu, możesz pokazać, jak natychmiast zamienia się ona w lód, mając wygląd wydłużonych kryształów.

Woda destylowana: czy ta oczyszczona substancja zamarza czy nie pod ciśnieniem? Taki proces jest możliwy tylko w specjalnie stworzonych warunkach laboratoryjnych.

Temperatura zamarzania słonej wody

1. Czy słona woda zamarza? Ze względu na wysokie stężenie soli, woda oceaniczna i morska zamarza w temperaturze -1,9 stopni Celsjusza.
2. Temperatura zamarzania wody w morzach i oceanach nie ma stałej wartości, ponieważ zasolenie wody w różnych morzach oceanów jest zupełnie inne.
3. Jak punkt zamarzania wody oceanicznej zależy od jej zasolenia? Istnieje bezpośredni związek między tymi wartościami. Im bardziej słona jest woda, tym wyższa jest jej gęstość i wymagana jest wystarczająco niska temperatura do zamrożenia takiej wody.
4. Średnia temperatura w morzach i oceanach wynosi -4 stopnie.

Temperatura zamarzania poszczególnych mórz

Z iloma stopniami zamarza woda:

• Morze Kaspijskie? Zasolenie wód Morza Kaspijskiego wynosi około 13 ppm. Ich zamarzanie występuje przy -0,5 stopnia Celsjusza. Grubość pokrywy lodowej północnej części Morza Kaspijskiego wynosi około dwóch metrów.
• Morze Azowskie? Jego słona woda zamarza w temperaturze od -0,5 do -0,7 stopni Celsjusza. Zasolenie wynosi około 11 ppm. Grubość lodu pokrywającego morze od grudnia do marca wynosi jeden metr.
• Morze Japońskie? Dlaczego słona woda tego morza nie zamarza? Wynika to z wysokiego (około 34 ppm) poziomu zasolenia i położenia geograficznego morza.
• Morze Bałtyckie? Przy zasoleniu zaledwie 6–8 ppm temperatura zamarzania wody morskiej w Bałtyku jest bliska zeru.

Ekspresowe odpowiedzi

Z iloma stopniami zamarza woda:

1. W rurach grzewczych? W przypadku wyłączenia ogrzewania lub awarii kotła grzewczego w prywatnym domu lub wiejskim domu, woda może zamarznąć w nich w ciągu kilku dni w temperaturze -5 stopni. Opóźnienie wystąpienia takiego efektu pomoże ocieplić rury i inne elementy budynku. W mieszkaniu zamarzanie wody w rurach zaczyna się od -1 stopni. Jeśli ta temperatura utrzymuje się przez 2-3 dni, może dojść do zerwania rur i akumulatorów.
2. Pod ziemią? Wody podziemne mogą być płynne, stałe i opary. Stałą fazą wody w glebie jest lód, który może być zarówno długotrwały (w warunkach wiecznej zmarzliny), jak i sezonowy. Zamrażanie wód glebowych występuje w temperaturach poniżej zera, ponieważ wszystkie z nich nie są czystą wodą, ale wszelkiego rodzaju jej rozwiązaniami. Wartość temperatury zamarzania zależy w dużej mierze od zasolenia wód gruntowych.
3. W locie? Mieszkańcy Jakucji mają prosty sposób na określenie temperatury powietrza: poniżej -42 stopni, jeśli ślina uwolniona przez człowieka ma czas na zamrożenie przed dotarciem do ziemi.
4. W próżni? Zawartość tuby, umieszczona pod dzwonem pompy próżniowej w temperaturze 0 stopni, najpierw wrze i po odparowaniu ósmej części ciekłej skorupy lodowej tworzy się na niej powierzchnia.
5. W silniku samochodowym? Maksymalna temperatura zamarzania wody w silniku może osiągnąć -5 stopni: przy niższych wartościach kryształy lodu po prostu przełamią wewnętrzną strukturę bloku silnika. Tak samo jest z temperaturą zamarzania wody w chłodnicy. Podobne problemy w samochodzie mogą wystąpić, jeśli nie ma wystarczającej izolacji powyższych jednostek, a także z powodu zbyt długiego parkowania.
6. Na lodowisku? W zależności od tego, jakie zawody mają być rozgrywane na lodowej arenie, temperatura powierzchni lodu może wynosić od -3 do -5 stopni. Lód o wyższej (od -3 do -4) temperaturze powierzchni nadaje się do łyżwiarstwa figurowego, ponieważ to właśnie jego miękkość pozwala uzyskać niezbędną siłę przyczepności do łyżew. Bardziej twardy lód, odpowiedni do hokeja zespołowego, uzyskuje się w temperaturze -5 stopni. Na „zimnym” lodzie prędkość graczy wzrasta, a możliwość powstawania „owsianki” na jej powierzchni maleje. Jakość lodu zależy przede wszystkim od składu chemicznego wody, dlatego należy go wypełnić nie zwykła ciecz z kranu, ale oczyszczona lub uzdatniona woda za pomocą specjalnych odżywek.