Чому лід не тоне у воді, а плаває на поверхні

Всі знають, що лід – це замерзла вода, правильніше сказати, що перебуває в твердому агрегатному стані. Але чому лід не тоне у воді, а плаває на її поверхні?

Вода – незвичайне речовина, що володіє рідкісними, навіть аномальними властивостями. У природі більшість речовин розширюються при нагріванні і стискаються при охолодженні. Наприклад, ртуть в термометрі піднімається по вузькій трубці і показує підвищення температури. Оскільки ртуть замерзає при -39 ºС, вона не годиться для термометрів, використовуваних в суворих температурних умовах.

Вода також розширюється при нагріванні і стискається при охолодженні. Однак в діапазоні охолодження від приблизно +4 ºС до 0 ºС вона розширюється. Ось чому взимку можуть лопнути водопровідні труби, якщо вода в них замерзла і утворилися великі маси льоду. Тиску льоду на стінки труби буває досить для їх розриву.

Розширення води

Так як вода розширюється при охолодженні, щільність льоду (т. Е. Її твердої форми) менше, ніж у води в рідкому стані. Іншими словами, даний обсяг льоду важить менше, ніж той же об’єм води. Сказане відображає формула m = ρV, де V – об’єм тіла, m – маса тіла, ρ – щільність речовини. Між щільністю і обсягом існує обернено пропорційна залежність (V = m / ρ), т. Е. При збільшенні обсягу (при охолодженні води) одна і та ж маса буде мати меншу щільність. Дана властивість води призводить до формування льоду на поверхні водойм – ставків і озер.

Припустимо, що щільність води дорівнює 1. Тоді лід буде мати щільність рівну 0,91. Завдяки цій цифрі ми можемо дізнатися товщину криги, яка пливе по воді. Наприклад, якщо крижина має висоту над водою 2 см, то можна зробити висновок, що її підводний шар в 9 разів товщі (т. Е. 18 см), а товщина всієї крижини – 20 см.

У районі Північного і Південного полюсів Землі вода замерзає і утворює айсберги. Деякі з цих плаваючих крижаних гір мають величезні розміри. Найбільшим з відомих людині вважається айсберг з площею поверхні 31 000 кв. кілометрів, який був виявлений в 1956 році в Тихому океані.

Яким чином вода в твердому стані збільшує свій обсяг? За рахунок зміни своєї структури. Вчені довели, що лід має ажурне будова з порожнинами і порожнечами, які при плавленні заповнюються молекулами води.

Досвід показує, що температура замерзання води зі збільшенням тиску знижується приблизно на один градус на кожні 130 атмосфер.

Відомо, що в океанах на великих глибинах температура води нижче 0 ºС, і тим не менше вона не замерзає. Пояснюється це тиском, яке створюють верхні шари води. Шар води завтовшки в один кілометр тисне з силою близько 100 атмосфер.

Порівняння щільності води і льоду

Чи може щільність води бути менше щільності льоду і чи означає це, що він потоне в ній? Відповідь на це питання ствердну, що легко довести таким експериментом.

Візьмемо з морозильної камери, де температура дорівнює -5 ºС, шматок льоду величиною в третину склянки або трохи більше. Опустимо його у відро з водою температурою +20 ºС. Що ми спостерігаємо? Лід швидко занурюється і тоне, поступово починаючи танути. Це відбувається тому, що вода температурою +20 ºС має меншу щільність у порівнянні з льодом температурою -5 ° С.

Існують модифікації льоду (при високих температурах і тисках), які через більшу щільності будуть в воді тонути. Мова йде про так званому «важкому» льоді – дейтерієву і тритієвого (насиченому важким і надважких воднем). Незважаючи на наявність таких же пустот, як в протиевой льоді, він потоне в воді. На противагу «важкого» льоду, протиевой позбавлений важких ізотопів водню і містить 16 міліграмів кальцію на літр рідини. Процес його приготування передбачає очищення від шкідливих домішок на 80%, завдяки чому протиевой вода вважається найбільш оптимальною для життєдіяльності людини.

Значення в природі

Лід плаває на поверхні водиТот факт, що лід плаває на поверхні водойм, грає важливу роль в природі. Якби вода не мала даними властивістю і лід занурювався на дно, це призвело б до промерзання всього водойми і, як наслідок, загибелі населяють його живих організмів.

Коли настає похолодання, спочатку при температурі вище +4 ºС більш холодна вода з поверхні водойми опускається вниз, а тепла (легша), піднімається вгору. Цей процес називається вертикальна циркуляція (перемішування) води. Коли ж у всьому водоймі встановлюється +4 ºС, цей процес призупиняється, так як з поверхні вода вже при +3 ºС легшає тієї, що знаходиться нижче. Відбувається розширення води (її обсяг збільшується приблизно на 10%) і зменшення її щільності. Як наслідок того, що більш холодний шар виявляється зверху, на поверхні відбувається замерзання води і поява крижаного покриву. Внаслідок своєї кристалічної структури лід має погану теплопровідність, тобто стримує тепло. Шар льоду виступає своєрідним утеплювачем.

Застосування в побуті

Вище згадувалося про можливість розриву водопровідних труб при замерзанні води. Щоб уникнути пошкодження водопроводу при низьких температурах можна допускати перерв у подачі теплої води, яка йде по трубах опалення. Аналогічної небезпеку наражається автотранспортний засіб, якщо в морози залишати воду в радіаторі.

А тепер поговоримо про приємну стороні унікальних властивостей води. Катання на ковзанах – велике задоволення для дітей і дорослих. А чи замислювалися ви, чому лід такий слизький? Наприклад, скло теж слизьке, до того ж глаже і привабливіше льоду. Але по ньому ковзани не ковзають. Лише лід має таких специфічних чудовим властивістю.

Справа в тому, що під вагою нашого ваги відбувається тиск на тонке лезо коника, що, в свою чергу, викликає тиск на лід і його танення. При цьому утворюється тонка плівка води, про яку і ковзає сталеве лезо коника.

Різниця в замерзанні воску і води

Як показують досліди, поверхня крижаного кубика утворює якусь опуклість. Це відбувається через те, що застигання в його середині відбувається в останню чергу. А розширюючись під час переходу в твердий стан, ця опуклість ще більше піднімається. Протиставити цьому можна застигання воску, який, навпаки, утворює поглиблення. Це пояснюється тим, що віск після переходу в твердий стан стискається. Рідини, які рівномірно стискаються при промерзанні, утворюють кілька увігнуту поверхню.

Для замерзання води недостатньо охолодити її до точки замерзання в 0 ºС, необхідно цю температуру підтримувати за рахунок постійного охолодження.

Вода з домішкою солі

Додавання кухонної солі до води знижує точку її замерзання. Саме з цієї причини взимку дороги посипають сіллю. Солона вода замерзає при температурі -8 ° С і нижче, тому поки температура не впаде як мінімум до цієї точки, замерзання не відбувається.

Льодосоляною суміш часом застосовується в якості «охолоджуючої суміші» для низькотемпературних досвідів. Коли лід тане, він поглинає сховане тепло, необхідне для перетворення, з навколишнього його середовища, тим самим охолоджуючи її. При цьому поглинається стільки тепла, що температура може впасти нижче -15 ° С.

Універсальний розчинник

Чиста вода (молекулярна формула H20) не має ні кольору, ні смаку, ні запаху. Молекула води складається з водню і кисню. При попаданні у воду інших речовин (розчинних і нерозчинних у воді) відбувається її забруднення, тому в природі немає абсолютно чистої води. Всі речовини, які зустрічаються в природі, в різній мірі можуть розчинятися у воді. Це визначається їх унікальними властивостями – розчинність в воді. Тому вода вважається «універсальним розчинником».

Гарант стабільної температури повітря

Вода повільно нагрівається завдяки високій теплоємності, але, тим не менше, процес охолодження відбувається набагато повільніше. Це дає можливість в літню пору року накопичувати тепло океанам і морям. Вивільнення тепла відбувається в зимовий період, завдяки чому немає різкого перепаду температури повітря на території нашої планети протягом усього року. Океани і моря – це оригінальний і природний акумулятор тепла на території Землі.

Поверхневий натяг

Ще одне надзвичайно важлива властивість води – винятково велике поверхневий натяг. Молекули на поверхні води відчувають дію міжмолекулярної тяжіння з одного боку. Так як у води сили міжмолекулярної взаємодії аномально великі, то кожна «плаваюча» на поверхні води молекула як би втягується всередину шару води. Саме цією властивістю пояснюється кульова форма води в умовах невагомості, підняття води в грунті і в капілярних судинах дерев, рослин і т. д.

Висновок

Той факт, що лід не тоне, а плаває на поверхні, пояснюється його меншою щільністю в порівнянні з водою (питома щільність води 1000 кг / м³, льоду – близько 917 кг / м³). Ця теза справедлива не тільки по відношенню до льоду, а й будь-якого іншого фізичного тіла. Наприклад, щільність паперового кораблика або осіннього листка набагато нижче щільності води, що і забезпечує їх плавучість.

Проте, властивість води мати в твердому стані меншу щільність є великою рідкістю в природі, винятком із загального правила. Аналогічними властивостями володіють лише метал і чавун (сплав металу заліза і неметалла вуглецю).

...
ПОДІЛИТИСЯ: